Введение к работе
Актуальность работы. Угольная промышленность в условиях іехода к рыночной экономике ориентирована на опережающее (витие прогрессивного открытого способа разработки на осно-интенсификации производства, применения передовой техники ехнологии, полного извлечения угля, комплексного использова-і недр и охраны природной среды. Реализация этих задач обуслов-іа гармоничным научно-техническим прогрессом всех звеньев шзводства, в том числе обеспечивающих горные работы, среди орых приоритетная роль принадлежит геологическому обеспе-[ию. Однако между фактическим уровнем прогресса в производ-енных и обеспечивающих звеньев имеется диспропорция, что зано с недостаточной научно-методической обоснованностью гео-ических работ, с низкой технической оснащенностью геологи-коіі службы и отсутствием профессионально подготовленных спе-
Современный угольный карьер отличается высокой механиза-:й работ, применением мощного добычного и транспортного обо-.ования, большими объемами и протяженностью фронта горных іот, высокой скоростью продвигания забоев и смены обнажений ного массива.- В этих условиях высокие требования предъяв-этся к качеству и оперативности геологической информации и остоверности прогноза, которые необходимы, например, для обес-ения высокопроизводительной и дорогостоящей техники посто-іьім фронтом работ и для сокращения ущерба от ее простоя и родуктивной работы. Отмеченная диспропорция и обостривший-дефицит геологической информации обусловили в ряде случаев декватную отдачу от внедрения современной горной техники нтенсификации производства. Например, при разработке слож-труктурных угольных пластов Экибастуза современными ротор-ли комплексами из-за ошибок или несвоевременного обеспечения каваторных бригад геологической информацией большой объем 1ытой угольной массы по качеству оказывается ниже планового :ондиционного уровня и бракуется. Эксплуатация Березовского торождения (КАТЭК) по прогрессивной поточной технологии залась проблематичной из-за значительного снижения пронзительности экскаваторов и отвалообразователей в связи с не-таточной геологической информацией о строении вскрышного хива и свойствах слагающих пород. Отсутствует прогресс в реши народно-хозяйственной проблемы повышения эффективности
взрывного дробления пород из-за того, что буровзрывные рабо осуществляются без оперативного обеспечения исчерпывающей п логической информацией, в первую очередь, о трещнноватости взр ваемого массива.
Отмеченные недостатки вызваны недооценкой и малой изучі ностью геологических аспектов проблемы повышения зффекті ности разработки, решаемой односторонне, технико-технологическ путем. В то же время геологическое обеспечение, осуществляеи на высоком научно-методическом уровне, является информащк но-геологнческой основой, предпосылкой и гарантией. эффект] ного и безопасного ведения горных работ, стабильной добычи уі планируемого объема и качества, рациональной и комплексной э илуатации недр и охраны природной среды. При этом осуществ ние геологического обеспечения не требует больших затрат, сред< и времени, и остается неиспользованным резервом повышения р табельности горного производства. Изложенное свидетельствует актуальности диссертации, посвященной разработке научных и тодических основ геологического обеспечения горных работ, ' является базой новой отрасли прикладной геологии—горноп мышленной геологии при открытой разработке угольных месторс дений, которую, по аналогии с шахтной, можно именовать карь ной геологией. Настоятельной необходимостью стало геолого-ге тическое обоснование достоверного прогноза, продуктивного и чения и использования трещнноватости, которая является ве щим геологическим фактором для ключевого технологического 3 на — взрывной подготовки горной массы и управления устойчи стыо в скальных и полускальных породах.
Цель диссертации — разработка научно-методического обос вания геологического обеспечения эффективного и безопасного дения открытых горных работ, стабильной добычи угля плани( мого объема и качества, рациональной и комплексной эксплуг ции. месторождения и охраны природной среды, что составл основу нового направления прикладной геологии — горнопромі ленной геологии при открытой разработке угольных месторождеї
Идея работы. 1. Полноценное и оперативное геологическое оі печение горных работ, с одной стороны, является необходимым уі виєм, геолого-информационной гарантией эффективной и раї иальной разработки месторождения; с другой — осуществимо с ; том созданных теоретических предпосылок оценки СЛОЖНОСТІ методологии изучения горно-геологических условий открытой ] работки угольных месторождений, а также системы методик и і мативов геологических работ и контроля на угольных карье|
2. Эффективность ключевого звена технологии разработк взрывной подготовки горной массы и управления устойчивое а также качество (сортность) угля по кусковатости определяк рациональным использованием объективной информации о ві щем геологическом факторе, трещнноватости с учетом предложен
рии ее геологической природы и изученных парагенетических ономерностей.
Защищаемые научные положения.
1. Геологическое обеспечение открытых горных работ, как осно-
горнопромышленной геологии при открытой разработке уголь-
с месторождений, определяют система геологической информа-
i о разрабатываемом массиве, качестве угля и условиях ведения
пых работ, а также методы получения информации и прогноза,
логический контроль и мероприятия с учетом специфики геоло-
месторождений с мощными залежами и открытого способа их работки, условий геологического изучения и функционирования логической службы.
2. Геолого-информационной основой и гарантией обоснованных
но-технических решений и осуществления эффективной, комп-
сной и экологичной эксплуатации месторождения являются тео-
ические предпосылки объективной оценки сложности и методо-
ии изучения горно-геологических факторов, определяющих усло-
разработки, а также нормативно-методическая база геологи-кого обеспечения горных работ. Теоретические предпосылки опре-яют закономерности проявления и влияния горно-геологических ;торов на горные работы, их систематизация и горно-геологи-<ая типизация угольных месторождений по сложности откры.-разработки, информационная модель — мониторинг геологиче-го обеспечения горных работ. Нормативно-методическую базу югического изучения и эффективного функционирования гео-ической службы составляют система методик геологических рана угольных карьерах, регламентирующие документы и мето-еские руководства.
3. Качество геологической информации, оперативность ее по
ения, безопасность и культура труда геолога обеспечиваются
работаниым дистанционным способом геологической докумен
ті на основе крупномасштабной фотодокументации и специ-
ных высотомерных приборов, а также использованием создан-
универсального горного компаса и экспресс-методов опреде-ія свойств пород путем ультразвукового и инденторного испы-ля образцов.
\. Приоритеты геологического обеспечения при добычных ра-зх связаны с обеспечением стабильной добычи угля планируе-э объема и качества и минимальных его потерь; при вскрышных этах — с обеспечением эффективной технологии горных работ, плексной и экологичной эксплуатации месторождения при не-эдимости изучения всей разрабатываемой толщи и наиболее щмых факторов: строения массива, трещиноватости и др. і. Продуктивность изучения и использования трещиноватости, жже обоснованность ее прогноза базируются на предложенной щи геологической природы и изученных закономерностях проявления
трещиноватости в разных породах и структурно-тектонических ус виях. Основной объем трещиноватости представлен повсеместн внутриплатовым видом, который генетически обусловлен внутр ними процессами литификации отложений и сингенетической т тоникой, определяющей ориентировку, количество и взаимоот шение разнотипных систем трещин, относительное распределе: которых зависит от формы сингенетических структур, рестав руемых методами палеотектонического анализа. Эндогенную п роду отражают внутрипластовое развитие трещин и корреляї ее интенсивности с мощностью. Аргументированность теории т щиноватости коренных пород увеличивают результаты лаборат ного моделирования и изучения природных моделей-аналогов, пр ставленных трещиноватостью рыхлых отложений и протектони Локальная трещиноватость неравномерно распространена в п делах зон, ширина которых зависит от степени складчатой и ди юнктивной дислоцированное, оцениваемой относительной деф мацией изгиба и полной амплитудой смещения. Распределение р нотипных соскладчатых систем трещин определяется величиной у. падения пласта.
Типизация трещин на эндогенные (диагенетические), литог ные, тектонические, экзогенные отражает генетическую связь с ф даментальными геологическими процессами и органически зав шает разработанную теорию геологической природы трещино тости.
-
Научно-методической основой прогнозирования трещино тости являются: — разработанная теория генезиса повсеместно! локальной трещиноватости; — количественно охарактеризовані закономерности и парагенетнческие связи, особенно описанные і тематически; — модели типичного проявления интенсивности т щин в пластах и соответствующие статистико-вероятностные рактеристики распределения ее совокупностей.
-
Эффективность и возможности изучения трещиновато увеличиваются при использовании специально созданных при ров и усовершенствованных методов документации, результа разведочного бурения и корреляции выхода керна и степени т щиноватости, автоматического способа построения на ЭВМ д грамм трещиноватости и обоснования выбора картографичесі и аксонометрической проекций для изображения трещиноватое приемов определения полного количества трещин в системе, ко угольной к обнажению.
Научное значение и новизна.
1. Разработаны научное обоснование и нормативно-методи екая база геологического обеспечения горных работ на угольн карьерах, которые составляют основу нового направления прикл ной геологии — горнопромышленную геологию при открытой р работке угольных месторождений. Определены теоретические пр
ылки оценки сложности и методологии изучения горно-геоло-еских факторов, характеризующих условия открытой разработ-угольных месторождений. Разработаны информационная мо-ь — мониторинг геологического обеспечения открытых горных от и система методик геологического изучения, мероприятий онтроля на угольных карьерах. Научно-методические основы, мативные документы и обобщающие публикации автора по гео-ическому обеспечению открытой разработки угля приоритетны, пгзну методики геологического обеспечения в сложных горно-югических условиях Кузбасса, Урала, Казахстана подчерки-г отсутствие аналогичных карьеров за рубежом.
2. Разработана новая и перспективная методика геологического
чення на угольных карьерах на основе фотодокументации и
грументальной съемки с помощью специально созданных гео-
ических приборов. Геологические высотомеры ВАГ, ВГМ и уни-
гальный горный компас УГК не имеют аналогов и защищены
эрскими свидетельствами.
3. Создано геолого-генетическое обоснование прогноза, изуче-
и использования трещиноватости, как ведущего геологическо-
фактора эффективности буровзрывных и экскаваторных работ правления устойчивостью. Изучены и количественно охарак-иованы: а) парагенетические закономерности проявления тре-ювтости в угольных пластах и вмещающих породах в зависи-ти от состава и свойств, литогенегических особенностей, мета-физма и дислоцированности; б) геотектонические условия ее азования в бассейнах и угленосных формациях разного типа; лриродные модели-аналоги. Лабораторным моделированием вос-изведено образование основных видов трещиноватости. 1. Сформулирована новая теория генезиса повсеместно распро-шенной, наименее изученной трещиноватости, которая генети-си является литогенной и обусловленной внутренними процесії литификации и сингенетической тектоникой. Установлено ко-эствениое распределение (удельный вес) систем трещин раз-) типа относительно сингенетических палесструктур. Смодели-1ны закономерности степени трещиноватости в виде схем ти-юго проявления трещин в пластах и соответствующих стати-со-вероятностных характеристик распределения совокупности ізателей интенсивности трещин. 5. Предложена теоретическая модель, обобщающая проявле-
двух генераций локальной соскладчатой и содизъюнктивной циноватости; установлен неравномерный характер изменения штенсивности в зоне влияния складчатых и разрывных нару-ий и зависимость ширины зоны от степени дислоцированности:
оказателя складчатости или полной амплитуды смещения. Уста-тено относительное распределение разнотипных систем трещин шиснмости от тектонической деформированное участка, оце-аемой углом падения пласта.
В разработанной классификации учитывается генетическая свї трещиноватостн с фундаментальными геологическими процесса! единство критериев для подразделений одного уровня, просте построения и использования ее номенклатуры.
-
Новая "теория трещиноватостн, установленные парагеие ческие закономерности, особенно математически описанные ю реляции и модели являются научно-методической базой нроп зирования трещиноватостн.
-
Разработан комплекс способов и средств натурного изу ния трещиноватостн и камеральной обработки данных, что у личивает информативность и возможности ее оценки.
1 Достоверность научных положений и рекомендаций обоснова
комплексностью исследований, включающих теоретические методические разработки, натурные и лабораторные наблюдеї и испытания, опытно-конструкторские работы, горно-промышл ные эксперименты;
обобщением и анализом опыта работы геологической служ на угольных карьерах Кузбасса, Восточной Сибири, Урала, I захстана, Средней Азии, Украины, а также результатами соб венных многолетних (с 1966 г.) исследований по геологИческс обеспечению открытых горных работ;
научными предпосылками, базирующимися на фундамента ных положениях геологии, геометрии недр и горного дела, мате; тической статистики;
дифференцированностью методики геологических работ, у тывающей горно-геологические условия разработки и соответ вующую типизацию эксплуатируемых месторождений;
работоспособностью созданных геологических приборов, э плуатирующихся в производственных условиях, признанных и бретением, экспонировавшихся на отечественных и зарубежі выставках, отмеченных наградами ВДНХ;
теоретическим обобщением натурного изучения геологичесі природы трещиноватостн, количественной оценкой закономерное проявления и парагенетических связей, использованием природі аналогов и лабораторного моделирования;
контролем рекомендаций по прогнозу трещиноватостн и рошей сходимостью с фактическими данными разных исследо телей;
многолетним (с 1956 г.) личным опытом изучения трещи ватости на месторождениях угля, сланца, руды, стройматериа. и большим объемом использованного фактического материала, держащего десятки тысяч непосредственных замеров парамет] трещиноватостн;
промышленным масштабом проверки эффективности геоло информационного обеспечения технологии разработки и реальн повышением рентабельности буровзрывных работ;
— использованием наших разработок в практической работе
алогической службы угольных карьеров, при научных исследо-
ниях и изысканиях рядом организаций и специалистов, в учеб-
м процессе в ВУЗах.
Практическое значение диссертации: — создана нормативно-ме-дическая база геологического обеспечения, которая включает гламентирующие документы и методические руководства; спо-5ы и технические средства получения первичной геологической формации путем геологической документации, съемки, опробо-ния и эксплуатационной разведки; методику геолого-информа-онного обеспечения добычных и вскрышных горных работ; ре-мендации по приоритетному направлению геологического обес-чения, связанного с технологией горных работ; геологический итроль и мероприятия;
оптимизированы и унифицированы параметры геологической емки и эксплуатационной разведки с учетом горно-геологической эжности разработки; обоснована точность определения посто-но изучаемых геолого-геометрических параметров (мощности, задания); дана оценка сети опробования и изменчивости свойств -рещиноватости пород; рекомендован способ оперативной оценки Уінеиластовой плотности и прочности;
разработаны перспективные дистанционные способы и сред-(а геологической документации на основе специально созданных іборов и фотосъемки, что повышает качество, возможности, опе-гивность и безопасность геологического изучения на карьере;
— усовершенствованы экспресс-методы определения физико-ме-
шческих свойств на основе ультразвукового и инденторного испы-
іия образцов и установленных корреляций;
разработана новая методика прогноза ориентировки систем штенсивности трещин на основе предложенной теории геологикой природы и изученных закономерностей трещиноватости с :том положения силового поля сингенетической тектоники и мощ-:ти деформируемого пласта; контроль прогноза фактическими шыми подтверждает надежность методики;
для оценки наиболее вероятного значения степени трещино-ости рекомендованы модели типичного проявления трещин в їсте и соответствующие статистико-вероятностные характерис-:и распределения показателей;
предложены методы изучения и прогноза локальной трещи-іатости с учетом ее генерации, неравномерно-зонального про-іения и зависимости ширины зоны от степени складчатой и дизъ--стивной дислоцированное; установлено статистическое распре-ение разнотипных систем трещин при разном угле падения плас-
что необходимо для их прогноза на крыльях складок;
— усовершенствованы способы и средства изучения трещино-
ости на карьере с использованием созданных методов и техники
геологической документации, результатов разведочного бурения их корреляции с трещнноватостью, путем обоснования выбора nf екций для изображения трещиноватости, автоматизации rrocTf ения диаграмм на ЭВМ, учета косоугольности экспозиции обь жения и т. д.
Реализация работы характеризуется внедрением следующ нормативно-методических документов:
-
Инструкция по работам геологической службы на шахт и разрезах Минуглепрома (1973);
-
Руководство по изучению и документации геологическс строения на угольных карьерах (1969);
-
Указания по геологической фотодокументации бортов уга ных разрезов (1972);
-
Инструкция по геологическим работам на угледобываюш предприятиях РФ (1992);
Отдельные результаты исследований и рекомендации испо. зованы в следующих документах:
1. ^Руководство по изучению геологического строения шахтн
полей при подземной разработке угольных месторождений (196'
-
Требования к определению механических свойств пород г геологическом изучении полей шахт Минуглепрома СССР (197'
-
Методические указания по определению механических свой* пород геологическими и изыскательскими организациями Ml (1977);
-
Временные методические указания по экспресс-определен упругих свойств горных пород ультразвуковым методом (198
Для крупных объектов открытой добычи угля (Экибастуз, 1С ный Кузбасс) разработаны и переданы рекомендации по изучен и прогнозу трещиноватости и геологическому обеспечению вскрь ных работ (1978, 1985, 1987). На их основе совместно с НИИО и ПО «Экибастузуголь» созданы руководства по совершенство нию технологии БВР (1987, 1988, 1989), внедрение которых обес чило реальный экономический эффект.
Приборы геологического назначения (высотомеры, универс.а ный горный компас) признаны изобретением, экспонировались многих отечественных и зарубежных выставках, выпускаются он. ным заводом ВНИМИ, внедрены в КАТЭК, Экибастузе, Кузбас
Разработанные рекомендации по изучению трещиноватосп установленные ее закономерности в разной форме использовг с исследованиях ИГД Минчермета, ИГД им. А. А. Скочинскс Гидропроекта, КарПИ и др. Предложенный нами ультразвуке] способ определения механических свойств пород применяется ПГО «Гидроспецгеология», ИГТМ, ИГД им. А. А. Скочинскс ИГД МЧМ, ВНИИГ, ВНИМИ и др.
Результаты наших исследований по геологическому обеспе нию открытых горных работ использованы в нормативно-мето ческих разработках НИИОГР, ВЗПИ, ВСЕГЕИ, а также в учеб>
собиях по горнопромышленной геологии и сопредельным дис-плинам (ВЗПИ, 1974; МГРИ, 1977; ДГИ, 1978; ИПИ, 1984; ГИ, 1982; 1984, 1989).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладались и получили одобрение на Всесоюзных совещаниях и се-нарах по вопросам изучения и прогноза ииженерно-геологиче-их условий разработки (Москва, 1969, 1974, 1979); по вопросам ркшейдерского дела и геометризации месторождений (Москва, 69; Ленинград, 1970, 1972, 1979); угольной геологии, разведке геологическому обеспечению добычи угля (Кемерово, 1971; Рос-з, 1972, 1989; Междуреченск, 1985; Тула, 1988); по симметрии элегических структур (Ленинград, 1988); на региональном со-щании геологов-угольщиков (Артем, 1986), на НТС ВГО «Со-углегеология», угледобывающих и геологоразведочных объеди-ний, Ученого совета ВНИМИ, кафедры геологии МГИ.
Отдельные результаты, полученные совместно по нашей мето-ке, вошли в кандидатскую диссертацию А. С. Шустермана, за-іщенную под руководством автора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы монографии), разработано и внедрено 4 нормативно-методи-:ких документа, получено 3 авторских свидетельства на изобретя.
Исходные данные и вклад автора. Основу диссертации соста-ли НИР по совершенствованию методики и техники геологиче-эй документации на угольных карьерах и разработке норматив--методических документов, которые проводились во ВНИМИ 966—91 гг.) под руководством и при непосредственном участии тора, а также собственные инициативные исследования геоло-генетической природы трещиноватости. Многолетнее (с 1956 г.) чное изучение трещиноватости, включающее десятки тысяч посредственных наблюдений и замеров, осуществлялось в различ-:х геологических условиях месторождений угля Сибири, Урала, ізахстана, Средней Азии, горючих сланцев и строительных ма-эиалов Прибалтики, полиметаллов Карамазара (Средняя Азия) других районов. Исходными материалами служат результаты оведенных под нашим руководством и непосредственном участии НИР по геологическому обеспечению эффективной технологии зработкн, промышленных экспериментов и внедрения, а также зультаты лабораторных исследований и публикации.
Структура -и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, заключения; объем 371 страница текста, 120 рисунков и 1 наименований литературных источников.
Автор признателен сотрудникам ВНИМИ и геологам угольных рьеров, которые в разной форме содействовали проведению ис-едований, а также проф. В. В. Кирюкову, проф. В. Н. Земисеву, ру техн. наук Э. Л. Галустьяиу за участие в обсуждении работы.