Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
Общие положения 16
1.1. Краткая характеристика истории развития исследований трещиноватости и блочности горных пород 16
1.2. Основные определения, связанные с изучением трещиноватости и блочности . ..18
1.3. Классификации трещин и их образование 19
1.4. Параметры трещин III порядка 28
1.5. Геометрические модели блочности массивов горных пород 31
1.6. Методы массовых замеров параметров сетей трещин . 35
1.7. Методы обработки результатов замера пара метров сетей трещин. Оценка блочности
массивов горных пород 39
1.8. Представление результатов геометризации параметров блочности массивов горных
пород 43
1.9. Постановка задачи исследований 45
Глава 2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЛОЧНОСТИ. ГЕОМЕТРИЗАЦИИ
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД 47
2.1. Геометрические особенности сети трещин 47
2.2. Особенности замеров параметров блочности по откосам уступов 50
2.3. Численный метод Монте-Карло и его применение для оценки блочности массива горных
пород 60
2.4. Построение плоской сети трещин;, на основе разыгрывания угловых и линейных параметров оснований структурных блоков 69
2.5. Выделение совокупностей трещин и мера неопределенности (энтропия) элементов
залегания граней структурных блоков 72
2.6. Графическое представление результатов геометризации структуры скальных массивов горных пород. Построение горно-геометрических планов 76
2.7. Методика замера параметров сети трещин для оценки блочности массива горных пород. Необходимое количество наблюдений 77
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ГЕОМЕТРИЗАЦИИ БЛОЧНОСТИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД 79
3.1. Выбор месторозвдений для проведения исследовании по геометризации блочности массивов горных пород 79
3.2. Краткая геологическая характеристика месторождений, на которых проводились исследования блочности массивов горных пород 80
3.2.1. Касимовское месторождение известняков. Геологические особенности экспериментального, участка 80
3.2.2. Шкурлатовское месторождение гранитов 84
3.2.3. Краткая геологическая характеристика Прохорово-Баландинского месторождения
мраморов . 86
3.3. Форма структурного блока и строение слоя карбонатных горных пород 87
3.4. Определение блочности на экспериментальном участке Акишенского карьера 90
3.5. Определение зависимости для прогнозирования параметров блочности 102
3.6. Определение блочности по опытному карьеру Прохорово-Баландинского месторождения
мраморов 106
3.7. Сравнение результатов оценки блочности предлагаемым методом и существующими 118
3.8. Построение планов содержания кондиционных структурных блоков на Прохорово-Баландинском месторождении мраморов 126
3.9. Геометрический анализ структуры гранитного массива Шкурлатовского месторождения. Блочность гранитного массива 131
3.10.Определение границ тектонических блоков для построения горно-геометрических
планов размещения показателей блочности 135
3.11.Количество наблюдений при замере параметров блочности и расстояние между станциями
замера. Точность замера параметров сети трещин 139
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОМЕТРИЗАЦИЙ ТРЕЩИНОВАТОСТИ И БЛОЧНОСТИ МАССИВОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ 148
4.1. Влияние блочности массива на механическое рыхление карбонатных горных пород 148
4.2. Снижение выхода негабарита при ведении буровзрывных работ 151
4.3. Выбор рационального направления отработки месторождений блочного камня 151
4.4. Оценка экономической эффективности внедрения результатов исследований 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 158
ЛИТЕРАТУРА 160
Приложение I 169
Приложение 2 172
- Краткая характеристика истории развития исследований трещиноватости и блочности горных пород
- Геометрические особенности сети трещин
- Выбор месторозвдений для проведения исследовании по геометризации блочности массивов горных пород
- Влияние блочности массива на механическое рыхление карбонатных горных пород
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают дальнейшее увеличение выпуска продукции промышленности строительных материалов на 17-19 процентов, что в свою очередь требует увеличения объемов добычи строительных горных пород. При этом необходимым условием является комплексное использование полезных ископаемых и рациональная отработка месторождений.
Увеличение объемов добычи и пути решения проблемы комплексного освоения недр связаны с повышением уровня маркшейдерского обеспечения разработки месторождений строительных горных пород.
Одной из важнейших задач маркшейдерского обеспечения является геометризация качественных и количественных свойств полезных ископаемых. В частности, использование результатов геометризации блочности массивов горных пород позволяет более эффективно осуществлять планирование горно-добычных работ /43,64,83/.
Подготовка горных пород к выемке на карьерах строительных горных пород обладает рядом особенностей. При ведении буровзрывных работ важным моментом является сохранение природных свойств и качества полезного ископаемого. Массовая же взрывная отбойка горных пород приводит не только к разрушению массива на куски?соответствующие структурным блокам, которые образуются трещинами, развитыми в массиве (часто это приводит к значительному выходу негабарита), но и влечет значительные микроразрушения в виде мелких трещин в горных породах и приводит к существенному снижению прочности пород, что отрицательно сказы- вается на качестве продукции щебеночных карьеров.
К горной массе поступающей из карьера, предъявляются требования к размерам кусков. Мелкое измельчение известняка, предназначенного для получения цемента допустимо, так как горная масса подлежит дальнейшему измельчению. При добыче известняка на щебень переизмельчение ведет к снижению выхода прочных фракций, увеличению отходов и ухудшению качества продукции.
Таким образом, при буровзрывном способе отбойки горных пород одним из наиболее важных показателей является кускова-тость. Размеры кусков взорванной горной массы зависят от технологических и природных факторов, причем,последние имеет порой определяющее значение. К природным факторам обычно относят физико-механические свойства пород и трещиноватость. Как отмечается в /43/ "при значительной трещиноватости массива, последняя оказывает основное влияние на гранулометрический состав взорванной массы. Размеры кусков соответствуют естественной блочности массива".
В настоящее время в промышленности строительных материалов наметился переход на новую технологию разработки карбонатных горных пород - механическое рыхление. Под механическим рыхлением понимают послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей, которые навешиваются на мощные тракторы.
Область применения и эффективность механического рыхления, как правило, определяются сейсмо-акустическими методами. Степень рыхлимости массива связана с его прочностью, трещиновато-стью и, соответственно, блочностью, которые характеризуются скоростью прохождения продольных упругих волн. Посредством вы- сокочастотной сейсмики оценивается трещиноватость массива, а ультразвуковыми методами - прочность пород.
Если полученные скорости обозначить соответственно Ус и Vy , то отношение этих величин будет являться акустическим показателем трещиноватости, то есть
Рыхлимость горных пород определяется по номограммам в зависимости от значений д и Ц .
Развитые в массиве трещины делят его на структурные блоки, что становится определяющим фактором при разработке месторождений блочного и стенового камня в силу требований, предъявляемых к качеству продукции этих горных предприятий /7, 43/.
1. Необходимость получения блоков определенного размера и формы при сохранении физико-механических свойств и декоративности горной породы,
Необходимость отбойки блоков крупного размера и большой массы (до 10-12 т и более),
Повышение выхода блоков, который в настоящее время редко превышает 25$.
Таким образом,выход блоков на карьерах блочного и стенового камня определяется блочностью маосива, то есть формой и размером структурных блоков, их пространственным размещением в пределах месторождения.
Разработка месторождений строительных горных пород осложняется разнообразием горных пород, слагающих полезную толщу и горногеологических условий.
В целом все месторождения строительных горных пород делятся на несколько групп: I. Месторождения платформ: а) месторож- дения древнего кристаллического фундамента (кристаллических щитов); б) месторождения осадочного чехла платформы; 2. Месторождения складчатых областей.
Горные породы месторождений кристаллических щитов, слагающие нижний ярус древних платформ, в значительной части относятся к первично-осадочным и вулканогенным формациям отражающим существовавший здесь режим.
Породы пронизаны многочисленными интрузиями, интенсивно дислоцированы и подвергались глубокому метаморфизму.
Месторождения метаморфических пород представлены мраморами, кварцитами и кристаллическими сланцами. Образование этих месторождений связано с процессами регионального метаморфизма. Мраморы часто окварцованы, долометизированы.
Месторождения кварцитов сравнительно редки. К выступам на земную поверхность кристаллического основания древних платформ приурочены месторождения высокопрочных интрузивных пород (главным образом гранитоидов).
Граниты залегают в этих районах в форме батолитов, штоков, а также иногда глыб среди более молодых образований и образуют крупные месторождения с высокими физико-механическими показателями.
Месторождения осадочного чехла платформ (платформенных плит) представлены главным образом, осадочными породами -известняковыми доломитами, гипсами, а также эффузивными породами.
Среди пород осадочного покрова платформ высокопрочные разности встречаются редко и они обычно характеризуются изменчивыми физико-механическими показателями. Промышленное их использование ограничивается в основном переработкой на щебень как за- полнитель бетона, и частично (пористые разности известняков и доломитов) как стеновой камень» Некоторые разности находят применение в качестве облицовочного камня.
Месторождения складчатых областей образованы горными породами метаморфического, изверженного и осадочного происхождения.
Из метаморфических пород наибольшее практическое значение имеют месторождения мраморизованных известняков и мраморов, отличающихся большим разнообразием декоративных свойств. Разнообразны так же и условия залегания мраморов, как в виде довольно крупных массивов, так и пластообразных тел, а также более или менее крупных линз. По условиям образования среди этих месторождений выделяются сформировавшиеся в условиях,как контактного, так и регионального метаморфизма. Практически вся мраморная промышленность Советского Союза базируется на месторождениях мрамора и мраморизованного известняка складчатых областей / 26 /.
Большое распространение имеют месторождения изверженных пород, главным образом кислого состава и в первую очередь гранитов. Менее распространены месторождения сиенитов, диоритов, змеевиков и т.д.
В складчатых областях значительно распространены месторождения осадочных пород - известняков, доломитов и песчаников, разрабатываемых для получения щебня.
В целом запасы месторождений скальных горных пород, используемых в промышленности для получения щебня, составляют более 15 млрд.м3. Более 40$ этих месторождений представлены карбонатными горными породами, более 20$ - гранитами, оставшиеся 40$ приходится на все остальные скальные горные породы. Из 200 месторождений блочного камня более 100 представлены мрамором и около 65 - гранитом. Общие запасы блочного камня превышают І млрд.м3. Около 2 млрд.м3 составляют запасы стенового пильного камня; причем 90$ месторождений сложено известняками-ракушечниками.
Приведенные выше данные показывают, что наиболее распространенными породами, являющимися сырьевой базой промышленности строительных материалов, можно считать карбонатные горные породы, мрамор, мраморизованный известняк и граниты.
Все это требует создания метода оценки блочности строительных горных пород, который мог бы быть использован на всех месторождениях,как в ходе эксплуатации, так и при их разведке. Последнее имеет весьма существенное значение, поскольку отсутствие надежных и достоверных данных о нарушенности массива приводит к ошибкам при проектировании горных предприятий промышленности строительных материалов, что отрицательно сказывается на эффективности разработки месторождений.
В ходе геологической разведки проводится определение систем трещин, пронизывающих массив скальных пород, но как отмечается в /26 /, изучение трещиноватости с детальностью, достаточной для решения вопроса о густоте и ориентировке трещин, возможно при хорошей обнаженности месторождения и наличии больших открытых поверхностей свежих пород. Такие условия могут иметь место в районах, где покров четвертичных отложений имеет малую мощность или совсем отсутствует.. В силу чего при детальной разведке месторождений анализ трещиноватости горных пород часто, сводится к определению параметров систем трещин на отдельных участках, а результаты при составлении проекта разработки практически не используются.
Большее внимание к трещиноватости уделяется при геологиче- - II - ской разведке месторождений блочного и стенового камня.
Для этой цели широко используются обнажения горных пород, фиксируется длина столбиков керна. К сожалению, здесь также ограничиваются лишь ориентировкой систем трещин и весьма приближенной оценкой блочности по столбикам керна. Основным критерием для установления блочности месторождения облицовочного и стенового камня является выход блоков в опытном карьере, который- закладывается в наиболее свежей, невыветрелой зоне месторождения /26 /, что,ч часто^ искажает реальную картину. Б настоящее время существует большое количество методов оценки трещиноватости и блочности в ходе детальной разведки, но, как отмечается в работе /26 /, все они "нуждаются в дальнейшем совершенствовании и обобщении".
Таким образом,существенное влияние блочности на разработку месторождений строительных горных пород и недостаточная ее изученность на стадии детальной разведки приводит к необходимости геометризации этих свойств скальных массивов и использования полученных результатов при составлении проектов разработки и эксплуатации месторождений, что и определяет актуальность выбранной темы диссертационной работы. Ввиду многообразия горногеологических условий для исследований были выбраны наиболее характерные месторождения: Шкурлатовское месторождение гранитов, Касимовское месторождение известняков и Прохорово-Баландинское месторождение мраморов. Первое представляет собой платформенное месторождение кристаллического щита, второе - платформенное месторождение осадочного чехла, а третье - типичный представитель месторождений складчатых областей.
Данная диссертационная работа является результатом исследований, которые проводил автор по темам ТО-2-533, ТО-2-534,
ПР-2-2І4 и ТО-І-ГБ-І в качестве исполнителя и ответственного исполнителя.
Цель работы заключается в установлении геометрических параметров структурных блоков и закономерности их размещения в массиве для разработки метода оценки блочности строительных горных пород, позволяющего улучшить планирование добычных работ.
Идея работы состоит в получении необходимых угловых и линейных параметров, характеризующих структурные блоки, на основе случайной выборки величин параметров из законов распределения величин углов и длин сторон структурных блоков, получаемых по данным их замера на откосах уступов, для разработки метода оценки блочности массивов строительных горных пород и выражения ее показателей функцией топографического порядка.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна: установлено впервые, что функции распределения угловых и линейных параметров структурных блоков, полученные по данным замера на откосах уступов совпадают с функциями распределения этих параметров структурных блоков в массиве, это позволяет определить общую закономерность статистического распределения геометрических параметров этих блоков по замеру их на откосах уступов; разработан метод оценки блочности массивов строительных горных пород на основе случайной выборки необходимых геометрических элементов структурных блоков из распределений случайных величин углов и длин сторон этих блоков, полученных по обнажению, новизна которого заключается в получении выборки без предварительного выделения систем трещин; - ІЗ - - впервые установлено, что энтропия элементов залегания граней структурных блоков нелинейно связана с расстоянием от станции замера до тектонического нарушения, при этом с увели чением расстояния энтропия элементов залегания уменьшается.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются: удовлетворительной сходимостью результатов расчетов параметров блочности по предлагаемому методу с данными замера угловых и линейных параметров структурных блоков, полученными в ходе ручной разборки и по зачищенным площадкам (погрешность расчетов не превышает А%); положительными результатами внедрения разработанных методических рекомендаций по оценке блочности массивов строительных горных пород в производство геологоразведочных работ республиканского треста "Росгеонерудразведка" МПСМ РСФСР, которые поз-водили уточнить запасы Прохорово-Баландинского месторождения мраморов, выявив участки с содержанием некондиционных по объему структурных блоков, в которых находится 30$ всех запасов.
Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении содержания различных по объему структурных блоков в массиве по случайной выборке угловых и линейных элементов этих блоков из законов распределения их параметров. Это позволяет развить методы маркшейдерского обеспечения разработки месторождений строительных горных пород.
Практическое значение работы состоит в разработке метода оценки блочности массивов строительных горных пород. На основе этого метода составлены "Методические рекомендации по оценке блочности массивов строительных горных пород", применение которых позволяет выделить участки с содержанием некондиционных по , объемам структурных блоков и обосновать целесообразность их отработки с помощью навесных тракторных рыхлителей на базе трактора ДЭТ-250.
Реализация работы. Разработанные "Методические рекомендации по оценке блочности массивов строительных горных пород" внедрены в производство геологоразведочных работ (Уральской комплексной геологической экспедицией) республиканского треста "Росгеонерудразведка" МПСМ РСФСР с годовым' экономическим эффектом 34,3 тыс.рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Научные основы создания комплексно-механизированных карьеров и подводной добычи" (Москва, МГЙ, январь 1980 г.), на семинаре "Давление горных пород" под руководством академика В.В.Ржевского (Москва, МШ, февраль 1982 г.), на научно-техническом совете Уральской комплексной геологической экспедиции (Свердловск, УКГЭ, декабрь 1983 г.), на Ш Областном семинаре "Приложение математических методов и ЭВМ в геологии" (Новочеркасск, НПИ, июнь 1983 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 4 статьи.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения, изложенных на 107 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 88 наименований и 5 страниц приложения.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., проф.Букринскому В.А., к.т.н. Анощенко Н.Н. за их постоянное внимание, помощь и поддержку, оказанные при написании работы, благодарен всему коллективу кафедры маркшейдерского дела и геодезии и с.н.с, к.т.н. Чиркову А.С, доц., к.т.н. Сиренко В.Н., консультациями которых постоянно пользовался.
Краткая характеристика истории развития исследований трещиноватости и блочности горных пород
Начиная с 20-х годов используются методы косвенного определения трещиноватости (по нагнетанию воды, воздуха, выходу кернаХ В 60-х годах широко стали внедряться геофизические методы, тага как сейсмоакустические методы контроля массива. Совершенствование этих методов происходит и в наши дни.
Значительная часть работ по изучению трещиноватости и блочности выполнена специалистами - геологами,и в связи с этим основной упор в них сделан на геологические аспекты. В основном это связано с такими важными вопросами, как классификация трещиноватости, определение основных типов трещин, влияющих на решение инженерных задач, а также их характеристики.
В работаж, посвященных изучению массивов горных пород для прикладных целей, рассматриваются вопросы, связанные с открытой разработкой месторождений (В.В.Ржевский, Е.П.Окользин и др.)» подземной разработкой (Букринский В.А., Борщ-Компониец В.К., Пэк А.В. и др.).
В целом используются различные методики и терминология, что затрудняет порой сопоставление результатов и их корректировку. В силу этого целесообразно осветить ряд общих вопросов для определения понятий и параметров, связанных с изучением трещиноватости и блочности, которые используются в литературе в настоящее время.
class2 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЛОЧНОСТИ. ГЕОМЕТРИЗАЦИИ
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД class2
Геометрические особенности сети трещин
Выше отмечалось, что в общем случае единичная трещина представляет собой нелинейную поверхность, частным случаем которой мояет быть плоскость, тогда системы трещин, образующие пространственную сеть трещин, являются совокупностью близких по характеру поверхности и ориентировки (расположению) в пространстве нелинейных поверхностей трещин. Взаимное пересечение поверхностей трещин развитых в массиве систем трещин приводит к расчленению последнего на структурные блоки (рис.2.1).
Рассмотрим слоистые массивы карбонатных горных пород, в которых, как показывают исследования целого ряда авторов, внутрисловные трещины практически перпендикулярны к поверхностям слоя. Это позволяет перейти от объемной к плоской задаче описания блочно сти массива.
Необходимо отметить еще один важный результат многочисленных исследований трещиноватости, который связан с тем, что при определении размеров (объемов) структурных блоков их форма, как правило, представляется в виде четырехугольной призмы,,в основании, которой лежит четырехугольник (прямоугольник, параллелограмм). Если считать, что трещины группируются в три совокупности, одна из которых представлена поверхностями напластования, которые в пределах участка замера трещин могут быть представлены как плоскости, то пересечение поверхностей трещин двух остальных систем на поверхности слоя будет образовывать четырехугольники, но, в общем случае, произвольной форлы с криволинейными сторонами (рис.2.1). Таким образом, исходные положения для построения геометрической модели сводятся к следующему:
1. Трещины можно представить как кусочно-линейную поверхность, каждый линейный элемент которой - грань структурного блока.
2. Взаимное пересечение трещин трех систем разбивает массив на структурные блоки,в основании которых лежитчетырехугольник произвольной формы.
Выбор месторозвдений для проведения исследовании по геометризации блочности массивов горных пород
Как отмечалось выше, месторождения строительных горных пород делятся на две группы: месторождения платформы и месторождения складчатых областей. Кроме того, большую часть запасов строительных горных пород составляют изверженные породы, в частности, граниты, осадочные - известняки, матаморфические -мраморы и мраморизованные известняки.
Именно поэтому для исследования структуры массивов горных пород были выбраны Касимовское месторождение известняков, Шкур-латовское месторождение гранита и Прохорово-Баландинское месторождение мрамора.
Первые два месторождения разрабатываются для получения щебня и являются типичными представителями месторождений платформ. Касимовское месторождение известняков, является наиболее характерным для месторождений карбонатного сырья, по своим горногеологическим условиям; согласно классификации карьеров карбонатного сырья республиканского объединения "Роснеруд", разработанной в лаборатории стройматериалов МГИ.
Шкурлатовское месторождение гранитов разрабатывается крупнейшим в СССР и Европе, Павловским ГОКом, производственная мощность которого составляет 6 млн.м3 в год.
Прохорово-Баландинское месторождение является типичным представителем месторождений складчатых областей сложенного высокодекоративными цветными мраморами.
Выбор вышеперечисленных месторождений для проведения исследований по геометризации трещиноватости и блочности сделан не только потому, что они являются типичными, наиболее крупными и представляют практически все гео лого-промышленные типы месторождений строительных горных пород, но и обладают еще одной важной особенностью, позволяющей рассматривать эти месторождения совместно. Эта особенность связана с тем, что полезные толщи Касимовского месторождения известняка и Прохорово-Баландинского месторождения мрамора представляют собой совокупность четко выраженных слоев, а граниты Шкурлатовского месторождения ввиду развития в массиве постельных трещин так же могут быть условно представлены как слоистые.
Именно последнее обстоятельство и позволяет значительно упростить задачу оценки структуры массивов на выбранных месторождениях.
Влияние блочности массива на механическое рыхление карбонатных горных пород
В работе / 64 / под механическим рыхлением понимают "послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей" в качестве которых в настоящее время применяются отечественные навесные рыхлители Д-652А на базе трактора ДЭТ-250.
Как отмечалось выше, эффективность механического рыхления определяется прочностью горной породы, ее блочностью. Наметившийся переход на послойную выемку требует проведения работ по оценке рыхлимости карбонатных горных пород.
Проведенные исследования механического рыхления на Акишен-ском месторождении известняков, которые сводились к определению блочности слоев пород, скорости прохождения продольных упругих волн в образцах прибором УК-ШІ, предел прочности пород на сжатие и производительности рыхлителя на базе трактора ДЭТ-250, исследуемой толщи Мергельного уступа, позволили выявить линейную зависимость между этими параметрами следующего вида.
