Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка обоснования и методики геолого-маркшейдерского обеспечения буро-взрывных работ на угольных разрезах Южного Кузбасса

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жилин, Валерий Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ОТКРЫТОЙ

РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

1.1.Анализ состояния геологических и маркшейдерских работ при взрывной подготовке горной массы.

1.2.Задачи исследований.

1.3.Выводы по главе.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

РАЗРАБОТКИ НА УГЛЕРАЗРЕЗАХ ЮЖНОГО КУЗБАССА.

2.1.Систематизация горно-геологической сложности открытой разработки угольных месторождений Кузбасса.

2.2. Горно-геологические условия открытой разработки в Южном Кузбассе . 33 2.2.1.Общие геологические сведения о районе, геолого-технологическая характеристика пород.

2.2.2.Основы технологии горных и буро-взрывных работ.

2.3.Выводы по главе.

3. ОбОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ.

3.1 .Общие положения.'.

3.2.Системный анализ и оценка значимости геологических факторов, влияющих на буро-взрывные работы.

3.3.Закономерности проявления геологических факторов, определяющих эффективность взрывной подготовки горной массы.

3.3.1.Закономерности физико-механических свойств и трещиноватости пород.

3.3.2.Парагенетические связи геолого-технологических показателей.

3.3.3.Изменчивость геолого-технологических показателей.

3.4. Типизация пород и районирование вскрышной толщи по геолого-технологическим показателям.

3.5. Выводы по главе.

4. МЕТОДИКА ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА УГЛЕРАЗРЕЗАХ ЮЖНОГО КУЗБАССА.

4.1. Общие положения методики получения первичной геологической информации для обеспечения БВР.

4.2. Методика изучения трещиноватости.

4.2.1. Полевые способы и средства изучения трещиноватости.

4.2.2. Камеральная обработка и обобщение полевых результатов.

4.3. Способы и средства определения физико-механических свойств пород.

4.4. Методика изучения геологического строения взрываемого блока.

4.4.1. Крупномасштабная геологическая фотодокументация откосов.

4.4.2. Изучение трещиноватости (блочности) фотометодом.

4.5. Методика обеспечения БВР геологической информацией.

4.5.1. Оперативное геологическое обеспечение БВР.

4.5.2. Перспективное геологическое обеспечение БВР.

4.5.3. Геологическое обеспечение совершенствования технологии БВР.

4.6. Вопросы автоматизации геолого-информационного обеспечения БВР.

4.7. Выводы по главе.

5. ВНЕДРЕНИЕ ГЕОЛОГО-ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ.

5.1. Анализ значимости факторов, влияющих на эффективность взрывного дробления пород.

5.2.Связь кусковатости взорванных пород с трещиноватостью блочностью) массива.

5.3. Влияние трещиноватости пород на зону активного дробления заряда.

5.4.Эффективность экскавации взорванных пород с разной трещиноватостью (блочностью) в массиве.

5.5. Внедрение геолого-информационного обеспечения БВР.

5.5.1. Внедрение "Методических рекомендаций по геолого-маркшейдерскому обеспечению БВР.", геолого-технологической типизации пород и районирования вскрышной толщи.

5.5.2. Результаты опытно-промышленного взрывания и совершенствования технологии БВР.

5.5.3. Технико-экономическая эффективность геолого-информационного обеспечения БВР.

5.6.Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка обоснования и методики геолого-маркшейдерского обеспечения буро-взрывных работ на угольных разрезах Южного Кузбасса"

Актуальность работы

При открытой разработке угольных месторождений Кузбасса изначально определяющим звеном всего технологического процесса являются буро-взрывные работы (БВР). От эффективности взрывного дробления и качества горной массы зависят технико-экономические показатели последующих технологических звеньев: экскавации, транспортировки и отвалообразования. Буро-взрывные работы влияют также на качество угля по кусковатости и засорению вмещающими породами; БВР влияют на потери угля и извлечение запасов.

Обеспечение высокой эффективности взрывной подготовки горной массы в последние годы стало исключительно важной проблемой в связи, во-первых, с опережающим ростом добычи угля открытым способом и необходимостью устранения хронического отставания вскрыши; во-вторых, с необходимостью обеспечения интенсификации горных работ и высокопроизводительную технику достаточным объемом вскрытых запасов и постоянным фронтом работы. Повышенные требования к кусковатости взорванных пород предъявляются и в связи с перспективами внедрения прогрессивных поточных и поточно-циклических технологий вскрышных работ. Совершенствование БВР обусловлено также необходимостью снижения материальных и финансовых затрат, которые составляют от 25 до 50 % стоимости и 30-60 % энергозатрат на вскрышные работы. А объемы ежедневной взрывной подготовки пород на 5 углеразрезах Южного Кузбасса достигают 200000 м .

Все это свидетельствует о том, что совершенствование БВР и повышение эффективности взрывного дробления пород являются актуальной и приоритетной проблемой открытого способа разработки угольных месторождений Южного Кузбасса. Однако данная весьма важная производственная проблема в отрасли решается односторонне на основе внедрения дорогостоящей энергоемкой мощной техники, что требует капитальных затрат и времени. Свидетельством одностороннего «силового» решения проблемы без учета геолого-технологических возможностей служат материалы работ, посвященных итогам и перспективам БВР [23,94].

Несмотря на техническое перевооружение вскрышных работ, на практике часто отсутствует адекватная технико-экономическая отдача от внедрения мощной и дорогостоящей техники. Как показали наши исследования, низкая фактическая производительность экскаваторов обусловлена, в первую очередь, низким качеством горной массы. Для Междуреченского углеразреза эта зависимость по средним данным такая:

Размер среднего куска, см . 40 60 80

Техническая производительность, м /час

ЭКГ-6,3 . 440 360 310

ЭКГ-8 . 610 410 330

При этом изученная фактическая кусковатость свидетельствуют о низком качестве горной массы. Например, размер среднего куска взорванных алевролитов равен 43 см, для переслаивания алевролита и песчаника - 65 см, песчаников - 50-80 см, гравелитов - 75 см.

На угольных разрезах Южного Кузбасса фактическая производительность 8 -кубовых экскаваторов, , по статистическим данным составляет 450-600 м3/час при среднем куске горной массы 55-65 см. Это ниже нормативной в среднем на 45 %. Производительность более мощных 16 - кубовых экскаваторов на Сибиргинском углеразрезе ниже нормативной на 15-25 % при среднем куске горной массы 70 см. Подобные примеры влияния низкого качества горной массы на снижение производительности экскаваторов отражены в публикациях ряда исследователей и практиков [11, 23, 38, 47, 54]. Неудовлетворительное состояние взрывной подготовки горной массы имеет место на большинстве углеразрезов Кузбасса. Это подтверждено при целенаправленном обследовании 20 предприятий, проведенном ВНИМИ. Фактическая горная масса более, чем на 60 % углеразрезах содержит высокий выход негабаритов. А на практике качество горной массы считается удовлетворительным, если выход негабаритов составляет 4-5 % (Черниговский углеразрез), а содержание фракции < 50 см - не менее 50 % (Моховский углеразрез).

Проведенное изучение состояния взрывной подготовки горной массы и геологического обеспечения горных работ на углеразрезах региона, а также исследования по теме диссертации свидетельствуют, что буровзрывные работы ведутся при диспропорции научно-технического прогресса БВР и геолого-информационного их обеспечения. Кроме того, имеет место постоянный дефицит необходимой геологической информации и использование приблизительных и усредненных геологических данных, полученных при разведке. Проектирование текущих взрывов, параметрические расчеты, разработка технологических мероприятий часто осуществляются на основе интуитивной оценки и примеркой экстраполяции геологических условий, а также использования «практических» поправок к типовым паспортам БВР. Недопустимость последнего подчеркивания акад. В.В. Ржевским [64]. До сих пор на угольных разрезах Кузбасса и отрасли отсутствует геологическое обеспечение буровзрывных и экскаваторных работ, которое осуществлялось бы на постоянной основе, а проектирование технологии БВР для конкретного блока велось бы с использованием фактических геологических данных и с учетом геологических закономерностей. Крупные специалисты по открытой разработке (Виницкий К.Е., Щадов М.И. и др.) со своей стороны неоднократно подчеркивали [92,93], что интенсификация технологии открытых горных работ должна базироваться на максимальном использовании геологической информации о разрабатываемом массиве.

Проводимые нами совместно с ВНИМИ исследования совпадают с недавно высказанным мнением специалистов БВР Южного Кузбасса [7]. Они считают, что «стратегическим» направлением совершенствования взрывного дела является «точная геологическая информация по конкретному блоку».

Однако высказанные авторитетами БВР прогрессивные концепции не нашли необходимого развития и реализации, о чем свидетельствует отсутствие разработанного обоснования и методики геолого- информационного обеспечения БВР, начиная от получения конкретных первичных геологических данных и их закономерностей до использования всей геологической информации при проектировании и осуществлении БВР.

Отмеченные недостатки вызваны недооценкой геологических аспектов рассматриваемой проблемы являются одной из причин, препятствующей совершенствованию БВР, оптимизации объемов бурения и расхода ВВ, повышению эффективности взрывного дробления пород. Совершенной технологией считается такая, в которой максимально учтены и рационально использованы геологические факторы и геолого-технологические показатели пород конкретного блока, которые предопределяют эффективность БВР.

При этом полноценное и оперативное геолого-маркшейдерское обеспечение является необходимой и обязательной основой и предпосылкой обоснованного проектирования эффективной технологии БВР и инженерных мероприятий его реализации. Наряду с оперативным геологическим обеспечением взрывания конкретных блоков, совершенствование технологии БВР, например, при разработке типовых паспортов используется закономерность проявления значимых для БВР факторов, которая устанавливается методом геометрии недр, являющейся частью маркшейдерии. В связи с этим в формулировке направления исследований и темы диссертации использовано понятие «геолого-маркшейдерское обеспечение».

Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы, посвященной разработке обоснования и методики геолого-маркшейдерского обеспечения буровзрывных работ на углеразрезах Южного Кузбасса.

Цель работы: повышение эффективности взрывной подготовки горной массы, определяющего технологического звена открытой разработки угля в Южном Кузбассе на основе геолого-маркшейдерского обеспечения БВР.

Идея работы: повышение эффективности буровзрывных работ и качества горной массы обеспечивается рациональным использованием при проектировании и реализации инженерных мероприятий полноценной и оперативной геологической информации о взрываемом блоке и горно-геометрических закономерностей проявления геологических факторов, обуславливающих результативность взрывного дробления горных пород.

Достижение цели и реализация идеи работы требуют решения следующих задач. Задачи исследований: разработка обоснования и предпосылок, а также методических рекомендаций по геолого-маркшейдерскому обеспечению буровзрывных работ; определение значимых для БВР геологических факторов и геолого-технологических показателей, создание модели геолого-ннформационного обеспечения БВР; изучение парагенетических связей состава, свойств и трещиноватости пород, отличающихся геолого-генетическими условиями образования, строением и дислоцированностью массива и участка; горно-геометрический анализ изменчивости геолого-технологических показателей пород с учетом литофациальных и петрографических особенностей, однородности и аномальности геологического строения разрабатываемой толщи по площади и нормальной мощности; типизация пород и районирование разрабатываемой толщи по геолого-технологическим показателям; усовершенствование методов изучения геологического строения в уступе, трещиноватости и свойств пород; разработка информативной, наглядной и лаконичной формы геологических данных о взрываемом блоке в виде геологического приложения к паспорту БВР для их проектирования и реализации технологических мероприятий; апробация эффективности геолого-информационного обеспечения для совершенствования технологии БВР путем осуществления опытно-промышленных взрывов с оценкой кусковатости горной массы и производительности при ее экскавации.

Методы исследований: анализ и обобщение литературных и нормативно-методических источников, посвященных геологическим условиям реализации взрывного разрушения пород и геолого-маркшейдерскому обеспечению БВР; системный анализ геологических факторов и геолого-технологических показателей, влияющих на БВР; наблюдения, документация, опробования и испытания свойств и состава пород, осуществляемые в натурных и лабораторных условиях; специализированная структурная съемка трещиноватости путем массовых замеров ориентировки, частоты и морфо-генетических особенностей трещин с одновременной геологической документацией участка; крупномасштабная геологическая фотодокументация откосов, в том числе с помощью цифровой камеры и компьютерной обработки растровых изображений; мониторинг геологической среды реализации БВР, методы математической статистики, автоматизированная обработка и моделирование на компьютере; опытно-промышленная проверка и внедрение геолого-информационного обеспечения БВР путем совершенствования технологии буровзрывных работ, опытно-промышленного взрывания, изучения результатов взрыва, качества горной массы и производительности при ее экскавации. Защищаемы научные положения:

1. Геолого-информационной основой и гарантией обоснованных инженерных решений при проектировании технологии буро-взрывных работ и их реализации являются полноценные и оперативно полученные геологические данные о взрываемом блоке, а также горно-геометрические закономерности проявления геологических факторов, предопределяющих эффективное взрывное дробление пород, среди которых наиболее значимыми и приоритетными для БВР на углеразрезах региона являются трещиноватость и дифференцированная прочность пород, строение горного массива. 2. Обоснованием методики изучения наиболее значимых для БВР геологических факторов (трещиноватости, физико-механических свойств) служат закономерности их проявления, особенно парагенетические связи и достоверные средние значения показателей, которые зависят от петрографической и литогенетической (лито-фациальной) дифференциации пород, от их залегания и складчато-дизъюнктивной нарушенное™ участка.

3. Закономерности пространственного изменения показателей трещиноватости и физико-механических свойств можно представить интервалами с дискретно-однородной изменчивостью: с индивидуальным уровнем среднего значения и величины стандарта отклонения показателей, которые обусловлены геологическими аномалиями строения и нарушенности толщи, залегания и состава пород, и которые надежно определяются с помощью критерия однородности Д.А. Родионова. Научное значение и новизна:

1. Изучена совокупность (система) геологических факторов и геолого-технологических показателей, влияющих на эффективность БВР и качество горной массы. Осуществлена систематизация и определена значимость геологических факторов, разработана геолого-информационная модель обеспечения БВР, отражающая связь геологических факторов и технологических параметров буровзрывных работ.

2. Установленная инвариантность природной блочности массива и кусковатости горной массы и их корреляция свидетельствуют о том, что трещиноватость и блочное строение массива в регионе являются наиболее значимыми геологическим фактором для взрывного дробления пород повышенной прочности и предопределяющим кусковатость горной породы.

Кусковатость - производная от природной блочности (трещиноватости) породного массива.

3. Установлено, что при геологической однородности (стабильности) участка изменчивость геолого-технологических показателей имеет случайный характер, что позволяет для ее оценки достоверных средних и изменчивости использовать методы математической статистики. В условиях аномальности состава, залегания и дислоцированности пород пространственные горно-геометрические закономерности изменения отмеченных факторов можно представить интервалами с индивидуальным уровнем значений и однородной случайной изменчивостью показателей, которые математически оцениваются критерием однородности Д.А. Родионова. Сооздана модель пространственной изменчивости показателей, обусловленной геологическими аномалиями строения, залегания, дислоцированности пласта и состава пород.

4. Изучена и математически описана парагенетическая связь показателей трещиноватости, физико-механических и состава пород, а также закономерности локального их изменения на участках складчатых и разрывных нарушений.

5. Осуществлена типизация пород и районирование разрабатываемой позиции по геолого-технологическим показателям. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием фундаментальным положениям геометрии недр и горнопромышленной геологии;

- большим объемом натурных исследований и лабораторных испытаний, которые проводились в разные годы в регионе, например, на Междуреченском разрезе, проведены более 7300 замеров трещиноватости, более 2300 определений прочности, 790 - плотности; изучение геолого - технологических закономерностей на протяженных участках в сотню, тысячу метров и несколько километров на соседних карьерных полях, по падению - по мере отработки толщи в разные годы, по мощности всей разрабатываемой толщи с детализацией на 54 пласто-пересечений;

- сходимость результатов, полученных разными методами и исполнителями, а также многовариантностью математической обработки; использование в качестве контрольных более достоверных и надежных методов и инструментальных средств; превосходством критериев надежности над их предельными величинами для установленных зависимостей и аппроксимирующих функций; промышленной проверкой, проводимой при взрывной подготовке горной массы по существующей и усовершенствованной технологии с оценкой кусковатости взорванных пород и производительности при их экскавации. Практическое значение работы:

1. Определены наиболее значимые для БВР геологические факторы и геолого-технологические показатели, подлежащие обязательному и систематическому изучению с целью информационного обеспечения буровзрывных работ.

2. Разработаны и внедрены методические рекомендации по геолого-информационному обеспечению БВР в условиях Междуреченского углеразреза, типичного для всей группы углеразрезов региона.

3. Разработана, апробирована и внедрена лаконичная, наглядная и информативно емкая форма геологических данных о взрываемом блоке в виде геологического приложения к паспорту БВР, используемого при проектировании БВР.

4. Исследованием изменчивости обоснована сеть пунктов изучения трещиноватости.

5. Усовершенствованы способы и средства изучения геологического строения и трещиноватости на основе крупномасштабной геологической фотодокументации откосов цифровой камерой и компьютерной обработки результатов съемки.

6. Разработаны косвенные способы прогнозной оценки прочностных свойств и трещиноватости на основе установленных закономерностей и корреляций, что позволяет сократить трудоемкие исследования и лабораторные испытания. Предложен простой способ определения плотности пород по образцам.

7. Предложен вариант автоматизированного проектирования БВР с учетом геологических данных в виде модулей параметрических расчетов технологии на ПК.

8. Оптиматизированы параметры технологии БВР на основе геолого-пнформационного обеспечения для типичных горно-геологических условий вскрышных горизонтов Междуреченского углеразреза. Установлена предельная интенсивность трещин, определяющая радиус зоны активного дробления заряда.

9. Доказано доминирующее значение трещиноватости (блочности) для взрывной подготовки горной массы и определена необходимость проектирования параметров БВР и их реализации на блоке относительно геолого-структурных элементов: главной системы трещин, залегания пластов и контакта пород с экстремальными свойствами.

10. Установленные простые по форме зависимости ТЭП экскавации от кусковатости горной массы и предложенного способа оперативного определения коэффициента экскавации способствуют объективной оценке эффективности совершенствования технологии БВР на геологической основе в конкретных условиях.

Реализация результатов осуществлена. передачей для практического использования апробированных «Методических рекомендаций по геолого-маркшейдерскому обеспечению БВР на углеразрезе «Междуреченский». организацией и проведением работ по обеспечению БВР геологической информацией на постоянной основе на Междуреченском, Ольжерасском и Сибиргинском углеразрезах. использованием специалистами БВР на 3-х разрезах геологических приложений к паспорту БВР как лаконичного и информативно емкого документа о геологических условиях взрывного дробления конкретного блока при проектировании и совершенствовании технологии БВР

Внедрение рекомендаций и основных выводов диссертации позволили в результате повышения эффективности буровзрывных и экскаваторных работ получить расчетный экономический эффект 260 млн.рублей в год на Междуреченском разрезе.

Апробация работы. Основные положения диссертация докладывались и получили одобрение на Международной научно-пракъ-ческой конференции «Проблемы геометризации недр» (май 2002, г. Екатеринбург); научной конференции «Полезные ископаемые России и их освоение» С-Петербургского горного института (апрель, 2002 г.); на НТС ОАО «Южный Кузбасс», «Междуречье» (2002 г.); на секции Ученого совета ВНИМИ (2001,2002).

Личный вклад автора состоит в определении целей исследований и приоритетов повышения эффективности БВР, в постановке задач, разработке методов и организации НИР, в выборе объектов (блоков, горизонтов) и проведении экспериментальных взрывов, в разработке рекомендаций, анализе и внедрении результатов исследований.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в шести публикациях.

Объем и структура диссертации. Диссертауля состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований, содержит 184 страницы, 44 рисунка, 27 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Жилин, Валерий Петрович

3.5. Выводы по главе

1. Установлена совокупность и значимость геологических факторов и геолого-технологических показателей, влияющих на БВР. Создана геолого-информационная модель обеспечения буровзрывных работ, в которой отражается связь геологических факторов и показателей с технологическими параметрами БВР.

2. Закономерности значимых для БВР геолого-технологических показателей характеризуются фактическими статистическими параметрами и парагенетическими связями, которые описаны аналитически. Установлено, что физико-механические свойства пород закономерно связаны с их гранулометрическим и петрографическим составом, а также с фациальными условиями образования пород. При прочих равных условиях среди песчаников более прочные и плотные мелкозернистые разности пойменной фации. Фактические данные о составе и свойствах, полученные при исследованиях, позволили математически описать парагенетические связи прочности, плотности, пористости и скорости ультразвука между собой и с составом. Характер трещиноватости по ориентировке и количеству систем индивидуален для лито-фациальных типов пород. Для повсеместно распространенной трещиноватости математически оценена изменчивость (стабильность) ориентировки, что необходимо учитывать при расчетах технологических параметров. Локальная трещиноватость наиболее значима для БВР в случае значительного увеличения ее интенсивности, что имеет место в виде зон возле дизъюнктивов и в замках складок, ширина которых зависит от амплитуды смещения и складчатой дислоцированности.

3. Практическое значение имеет зависимость частоты трещин Р от мощности пласта (слоя) М, определяемой при любом геологическом изучении. Величина коэффициента зависимости Р = аМв определяется составом пород и тектоникой участка.

На фактических примерах показана связь степени трещиноватости с петрографическим составом. Зависимость Р(И) от содержания петрографических компонентов получена в виде парных и множественных корреляций.

4. Закономерности проявления геолого-технологических показателей и их связи отображены в виде идеализированной схемы (модели), на которой отображены основные геологические элементы строения, залегания и дислоцированности пласта, которым соответствуют индивидуальные интервалы графиков изменения значимых для БВР интенсивности трещин и прочности. Тем самым смоделирована суть защищаемого научного положения о том, что закономерности трещиноватости и физико-механических свойств, их достоверные средние значения и парагенетические связи обусловлены дифференциацией пород по составу, залеганию и нарушенное™, а пространственные изменения можно представить интервалами с индивидуальными уровнями среднего и колебаний значений показателя, которые соответствуют участкам этой дифференциации и геологических аномалий.

5. Изменчивость свойств пород в точке по испытаниям образцов одной пробы составила (коэффициент вариации) для прочности ± 30-60%, скорости ультразвука ± 12%, плотность ± 5%. Более точно определяемую плотность рекомендуется использовать для косвенной оценки других свойств по соответствующим корреляциям.

Законы распределения изученных свойств, которые определены разными способами, чаще всего нормальные, реже логнормальные, что позволяет обоснованно использовать формулы математической статистики для оценки вероятностного среднего и величины разброса показателей, используемых в инженерных расчетах.

6. Пространственная изменчивость геолого-технологических показателей изучена на протяженных (150-3000 м) участках с учетом их геологических особенностей. Научно-методическое значение имеет изменчивость на геологически однородных участках, когда отсутствуют геологические ориентиры выбора положения пунктов изучения. На исследованных участках проводились сплошные или серийные замеры параметров трещиноватости и определение свойств по сети 15(20) - 100 м. Статистической обработкой эмпирических данных на ПЭВМ установлены: - математическая однородность изучаемых показателей на протяженном участке, ибо данные отдельных пунктов, как частные выборки, по критерию согласия Смирнова-Колмогорова принадлежат генеральной совокупности данных всего участка; - законы распределения совокупностей эмпирических данных для оценки наиболее вероятных средних и разброса значений; - параметры изменчивости показателей на участке по простиранию и падению пород.

Изменчивость по направлению является случайной при отсутствии закономерной составляющей, что получено с помощью тренд-анализа и по критерию ранговой корреляции Спирмена.

Установленная математическая однородность на одном пункте и всем участке (частных и генеральной совокупностей), а также случайный характер изменчивости на протяженном участке позволяет обоснованно выбирать сеть изучения показателей (см. гл.4).

7. Изменчивость геолого-технологических показателей на участках проявления геологических аномалий характеризуется интервалами с индивидуальным уровнем среднего и стандарта отклонения, которые выделяются посредством критерия однородности Д.А.Родионова. Например, для участка тектонического разрыва при сложной форме регистограммы Р и ос с помощью критерия однородности выделяются пять индивидуально-однородных интервалов: зона непосредственно примыкающая к сместителю; два интервала в лежачем и висячем крыльях, отвечающих зоне влиянию дизъюнктива, а также фоновых значений показателей.

С помощью критерия однородности Родионова проведено разграничение разрабатываемой толщи в вертикальном сечении на интервалы, включающие слои разных пород с индивидуально-однородными средними значениями и стандарта отклонения для наиболее значимых для БВР прочности ас и блочности dg. Например, на Междуреченском углеразрезе выделено 7 таких интервалов.

Математическое разграничение пространственной изменчивости геолого-технологических показателей позволяет дифференцированно и более точно оценивать их значения на соответствующих интервалах и участках, что необходимо при проектировании технологии БВР и нарезке эксплуатационных горизонтов.

8. Установлены практически важные особенности изменения параметров трещиноватости и прочности пород. При дифференциации литотипов пород по петрографическому составу величина стандарта отклонения S и коэффициент вариации V снижаются, например, для песчаников внутренней вскрыши в 1,6 раза.

При тектонической дифференциации участка уточняется среднее значение интенсивности трещин (И) и снижается величина изменчивости. Например, для всего участка с дизъюнктивом V„ = ± 57%, а для отдельных тектонических зон: VH = ± 17% (фон), VH = ± 41% (зона влияния дизъюнктива).

Изменчивость параметров трещиноватости зависит от геометрического типа систем относительно простирания пласта. Наибольшей изменчивостью ориентировки и частоты отличаются трещины продольного типа по сравнению с поперечной трещиноватостью, особенно с увеличением угла падения пласта. Такая особенность соответствует теоретическому положению о геологических условиях и механике образования трещин продольного и поперечного типа.

9. Результаты изучения геолого-технологических свойств обобщены в виде соответствующей типизации вскрышных пород характерного для района Междуреченского углеразреза. По степени трещиноватости и природной блочности и по физико-механическим свойствам с учетом таксономических требований выделено 5 категорий пород, в которых учтены общие положения классификации трещиноватости Межведомственной комиссии по взрывному делу и классификаций по взрываемости пород Кузбасса. Количественные характеристики дополнены примерами типичных пород, что способствует практическому применению геолого-технологической типизации.

10. При районировании толщи переслаивающихся пород с пологим залеганием и геологической стабильностью по площади выделение дискретно-однородных участков логично и объективно необходимо вести в вертикальном сечении, ибо изменение показателей происходит от слоя к слою по направлению мощности. Разграничение толщи на интервалы по блочности и прочности осуществлено описанным математическим способом по критерию однородности для Междуреченского углеразреза.

Проведенное обобщение в виде геолого-технологической типизации пород и районирования толщи имеет научно-прикладное и практическое значение для технологии и прогноза условий БВР, для уточнения параметров систем разработки.

4. МЕТОДИКА ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА УГЛЕРАЗРЕЗАХ ЮЖНОГО КУЗБАССА

4.1. Общие положения методики получения первичной геологической информации для обеспечения БВР

Геологическое и маркшейдерское обеспечение открытых горных работ в Кузбассе концептуально и методологически предопределено сложностью горно-геологических условий разработки и соответствующим районированием карьерных полей и месторождений в бассейне (см. главу 2). Горно-геологическая сложность является основой для унификации и оптимизации геологических и маркшейдерских работ на углеразрезах Кузбасса. Относительно простые горно-геологические условия на углеразрезах Ленинске-Беловского и частично Междуреченского районов обусловили простую систему вскрытия и разработки, а с этим и просто методику ведения геологической съемки и опробования выработок при редкой сети изучения и документации, представленной отдельными геолого-структурными колонками. В сложных горно-технических и горно-геологических условиях Прокопьевско-Киселевского района геологическое изучение ведется сложными методами, путем составления сплошных зарисовок экскаваторных забоев по сети, равной подвиганию забоя за сутки. Этот принцип сохраняется также для методики геологического обеспечения буро-взрывных работ.

Геолого-маркшейдерское обеспечение БВР включает:

- получение первичной геологической информации о взрываемом блоке;

- лабораторные испытания пород, обработку первичных данных, разработку геологического приложения к паспорту БВР, в котором в лаконичной и информативно емкой форме, доступной специалистам БВР, отражены геологические условия БВР;

- геологическое сопровождение проектирования буровых и взрывных работ и инженерно-технологических мероприятий; геологический контроль за реализацией БВР;

- мониторинг значимых для БВР геологических факторов, особенно трещиноватости и прочности пород, блочно-слоистого строения массива, а также результатов взрывного дробления пород. Систематические (мониторинговые) исследования и горно-геометрическией (маркшейдерский) анализ геолого-технологических показателей являются геологической основой совершенствования технологии БВР.

Значимые для БВР геологические факторы, которые подлежат изучению, рассмотрены в главе 3 и отображены в геолого-информационной модели рис. 3.2. Гидрогеологические условия БВР в диссертации не рассматриваются в связи со спецификой проблемы, которая в известной мере на углеразрезах района снята за счет применения водостойкости ВВ, изготовляемых на месте.

Методы и средства полевых и камеральных геологических работ по обеспечению БВР изложены в "Методических рекомендациях по геолого-маркшейдерскому обеспечению БВР на разрезе "Междуреченский" /авт. Такранов Р.А., Жилин В.П., Попов А.И. (2002 г.), переданных на предприятие.

Эффективность БВР в наибольшей мере зависит от разбитости пород трещиновато-стью, от физико-механических свойств пород и блочно-слоистого строения взрываемого блока. Для получения первичной информации об этих факторах проводится комплекс натурных и камеральных работ, имеющих часто целенаправленное и специфическое содержание. Время и место проведения работ осуществляется с учетом производственного плана развития горных работ и взрывания очередных блоков.

Привязка участков проведения натурных наблюдений, документации и опробования осуществляется посредством маркшейдерских съемок и известными полуинструментальными приемами относительно закоординированных местных объектов, вынесенных в натуру профилей, пунктов геодезической сети.

4.2. Методика изучения трещиноватости 4.2.1. Полевые способы и средства изучения трещиноватости

Ведущая роль трещиноватости при взрывном дроблении пород и актуальность ее изучения так определяется ведущими специалистами геомеханики и разрушения пород акад. Е.И.Шемякиным и проф. Б.Н.Кутузовым: ". для расчета заряда разработка количественных методов определения трещиноватости взрываемого блока является важнейшей фундаментальной задачей" [ 92 ], с. 4.

В связи с повсеместным распространением в породах природной трещиноватости и статистическим проявлением ее параметров, трещиноватость изучается путем специализированной структурной съемки с массовыми замерами элементов залегания трещин и нормального расстояния между ними (частоты трещин).

Ориентировка и частота трещин измеряются непосредственно по обнажению в откосе уступа с помощью горного компаса и рулетки (складного "метра") Измерения проводятся для всех видимых трещин подряд. По массовым замерам в результате камеральной обработки определяется пространственное положение основных систем, их угловое соотношение с откосом уступа и между собой, что характеризует форму блока отдельности. Размер природного блока (ds) определяется по средней величине измеренных расстояний между соседними трещинами (Р) 3-х основных систем, образующих породный блок отдельности. Это обеспечивает практически достаточную точность, не вычисляя объем блока, как рекомендуют некоторые исследователи [2, 12 ]. Величина l/P, характеризует интенсивность трещин каждой системы, a S 1/Pi всей совокупности систем.

Измерению подлежит также протяженность трещин. Для подавляющего большинства трещин, являющихся нормальносекущнмн, протяженность определяется мощностью пласта или слоя (М), в пределах которого развиты трещины. Отношение Р/М дает возможность судить об относительной степени трещиноватости разных пород, участков и тектонических структур при сравнении трещиноватости, изученной в пластах с разной мощностью. Подробные рекомендации по определению линейных параметров трещиноватости при разных условиях изучения на углеразрезах района приведены в упомянутых "Методических рекомендациях. . ."ряд рекомендаций по определению Р описаны в работах [73] и др.

При сложной сети трещин, когда в натуре трудно выделить отдельные системы и провести замеры Р, для решения задач БВР достаточно определить размер зоны повышенной трещиноватости без оценки Р для каждой системы.

Элементы залегания трещин измеряются горным компасом известными приемами. Значительные преимущества при проведении массовых измерений элементов залегания дает использование усовершенствованного горного компаса УГК, созданного во ВНИМИ. Его конструкция позволяет определить оба элемента залегания при одной установке прибора на любую доступную плоскость с любой пространственной ориентировкой. Преимущества работы с компасом УГК по сравнению с выпускаемыми промышленностью (тип ГК) получены при проведении массовых замеров ориентировки трещиноватости. Установлено, что время измерения элементов залегания трещин с разной ориентировкой (сек) при серийных замерах разными компасами отличается следующим образом:

Условия. простые сложные

Время замера

ГК. 24 28,4 23 30 26 25 75 50 52 84

УГК. 5,5 6,4 4 8 6 4,5 12 7 10 11

То есть имеет место значительный рост производительности при работе с компасом УГК, особенно в сложных условиях измерения выше роста человека. Конструкция УГК позволяет с более высокой точностью устанавливать его в направлении линии падения (простирания), что повышает точность определения элементов залегания в точке. Среднее квад-ратическое отклонение при 15-20 измерениях геологических структур составило для азимута 0,°6 - 0,°9, для угла падения 0,°3. Серии измерений проводились для плоскостей при разном пространственном положении к меридиану (28°, 170°, 256°, 340°) и к горизонту. При этом ошибка измерения азимута компасом ГК составила 2°. Чувствительность (точность) магнитной стрелки, установленная в лабораторных условиях, равна 0,°25.

Известно, что точность определения направления линии падения эклиметром компаса, а с этим и точности ее азимута (ДА) зависит от величины (б). Проведенные исследования точности компасных замеров показали, что при 8 > 15° ДА близка указанной ранее точности одиночного замера азимута (инструментальной ошибке компасных измерений). При 8 < 5-3° ДА значительно превосходит предельную (утроенную) величину инструментальной погрешности и асимптотически стремится к бесконечности. Полученные результаты подтверждают эмпирическое правило работающих с горным компасом: элементы залегания плоскости с 8 < 5-3° нельзя установить, а для пологих, наклонных и крутопадающих (5 = 15-90°) плоскостей погрешность азимутальных измерений равна инструментальной точности компаса.

Сеть пунктов изучения трещиноватости обусловлена, в первую очередь, изменчивостью (стабильностью) геологического строения, состава, залегания и нарушенное™ породного массива При геологической аномальности, связанной со складчато-разрывными нарушениями трещиноватость изучается по редкой сети на фоновых участках при сгущении пунктов по мере приближения к сместителю, к замку складки. В случае геологической однородности и стабильном залегании отсутствуют внешние ориентиры для выбора сети пунктов. Существующие рекомендации [26] относительно сети изучения трещиноватости не подкреплены необходимыми исследованиями, в частности, по изменчивости трещиноватости.

Для обоснования оптимальной сети изучения и количества замеров трещин на пункте совместно с А.Н.Шеремет проведены специальные исследования. Изучению трещиноватости в натуре способствовала хорошая обнаженность пород на открытых разработках, а также геологическая стабильность и моноклинальное залегания угольных пластов в районе. Опытные участки протяженностью более 200 м располагались на добычных уступах пласта III на Томусинском и Междуреченском углеразрезах. Для изучения изменчивости непосредственные замеры параметров А, 5, Р проводились двумя способами: во-первых, для всех трещин подряд на протяженном участке; во-вторых, на отдельных пунктах по 20-30 замеров, которые отстояли друг от друга на 15 м.

Математическая обработка показала, что при геологической однородности значения А, 6, Р являются случайными величинами, что подтверждено отсутствием тренда; распределение совокупностей исследуемых параметров для отдельных пунктов и для всего участка, по критерию Дейвида, нормальное для А и Р, асимметричное для 5. Значения А, 5, Р на отдельных пунктах, по критерию согласия Смирнова-Колмогорова, являясь частными выборками, принадлежат к одной генеральной совокупности и отражают общие закономерности параметров на всем участке. Трещиноватость при геологической однородности участка (пласта) с математической точки зрения однородна.

Для установления оптимальной сети изучения трещиноватости использован метод разряжения сети (количества исходных данных) с элементами комбинаторики. Из разного количества данных, полученных при последовательном исключении из полной выборки каждого второго, третьего и т.д. значения, вычислялось среднее значение и стандарт отклонения параметра. При разряжении и вычислениях возникает разное количество комбинаций из оставшихся значений. Большой объем вычислений проведены на компьютере.

В результате осуществленных расчетов, как для отдельных пунктов, так и всего участка, установлена практически близкая начальная величина стандарта отклонения, одинаковая закономерность его снижения и возрастания ошибки стандарта в зависимости от шага разряжения и изменения количества исходных данных. Закономерности изменения стандарта отклонения и его ошибки во всех случаях аппроксимируются, соответственно, одинаковой функцией — полиномом второй степени и высоким коэффициентом регрессии (более 0,9).

Полученные одинаковые математические характеристики изменчивости А, 5, Р при разряжении данных одного или нескольких пунктов для участка, а также данные сплошного замера параметров трещиноватости на протяженном участке свидетельствуют о следующем. В геологически однородных условиях для определения достоверных А, 5, Р и их изменчивости нет необходимости в проведении трудоемких работ по массовому замеру трещиноватости на многих пунктах, а достаточны данные одного пункта.

Для определения количества замеров параметров трещиноватости на пункте использованы методы информатики путем оценки достаточного объема информации и ее изменения при разрядке количества исходных данных. Многочисленные варианты определения информативности показали: - равный объем информации 2,3-2,5 биты при 20-30 данных на одном пункте и нескольких сотнях данных на всем изучаемом участке; - одинаковую закономерность изменения информативности при разряжении количества исходных данных до 20 замеров, которая аппроксимируется полиномом второй степени с высокой степенью надежности. При количестве исходных данных 10 объем информации значительно снижается до 1,8 биты. Из полученных данных следует, что на каждом пункте следует проводить около 20 (не менее 12-15) замеров А, 5, Р.

Геофизические методы изучения трещиноватости не дают необходимых для БВР характеристик для систем разной ориентировки и частоты трещин. Геофизическим путем определяется относительная степень трещиноватости разных интервалов и направлений. Этого недостаточно для решения технологических задач БВР. Метод геофизического каротажа взрывных скважин не приемлем по срокам, ибо информацию необходимо иметь до проектирования сетки скважин, их наклона и глубины.

Геофизические методы изучения трещиноватости еще не вышли из стадии НИОКР и часто предусматривают использование импортной аппаратуры, мало пригодной для открытых разработок.

Вопросы применения геофизики, в частности, сейсмоакустических методов [82] изучения трещиноватости и свойств пород внутри взрываемого блока требуют специальных исследований в будущем, учитывая увеличение взрывов на неубранную породу (буфер).

Для ориентировочного прогноза трещиноватости в массиве можно использовать результаты разведочного бурения. Известно, что при прочих равных геолого-технологических условиях проходки скважин, выход керна зависит от разбитости пробуренных пород трещинами. В исследуемом районе установлена [77] связь выхода керна (ВК) с интенсивностью трещин (И) в угле: И = 25/ВК, в породах И = 10/ВК (выход керна ВК в долях единиц).

4.2.2. Камеральная обработка и обобщение полевых результатов

Полевых наблюдения и замеры подвергаются обработке и обобщению для получения полноценной информации, удобной для использования специалистами БВР в решении задач взрывной подготовки горной массы. С этой целью строятся диаграммы трещиноватости, решетки (планы) основных систем трещин, определяются наиболее вероятные средние значения угловых и линейных параметров, устанавливаются парагенетические закономерности трещиноватости и связи с различными геологическими факторами, которые необходимы для прогнозной оценки, типизации пород и районирования породного массива.

Диаграммы трещиноватости являются начальной частью камеральной обработки и основой последующих оценок и обобщений. По ним определяются средние значения ориентировки и угловое соотношение систем трещин с напластованием, с откосами и между собой. Диаграммы наглядно отображают пространственное положение систем и разброс отдельных трещин. Точность определения средних элементов залегания и наглядность повышаются при построении изолиний относительной густоты полюсов трещин, особенно, если полюса разбросаны на диаграмме и плохо сгруппированы в системы.

Для устранения неоднозначности в проведении изолиний и ускорения работ при построении диаграмм трещиноватости, особенно сводных (объединенных) диаграмм использовалась компьютерная программа Crack Ars, разработанная Зарукиным А.С. и Такрановым Р.А. ("Автоматизированное построение диаграмм трещиноватости. Методическое указание". - С.-Петербургский горный институт, 2000.- 32 е.). Пример диаграммы трещиноватости конкретного участка, построенный автоматически, показан на рис. 4.1.

Парагепетические связи. Корреляции. Для прогнозной оценки степени трещиноватости целесообразно использовать установленные и описанные математически парагенети-ческие связи параметров Р(И) с такими геологическими показателями, которые определяются систематически и с достаточной точностью. Такая связь получена для Р подавляющего вида нормальносекущей трещиноватости с мощностью М трещиновмещающего слоя или пласта (см. рис. 3.8). Аппросимирующие выражения и графики связи Р с М зависят от лито-типа пород и угля, степени метаморфизма и геолого-геометрического типа системы, представленных продольными, поперечными и диагональными трещинами.

Для параболической зависимости, подобной рис. 3.8, наиболее точным уравнением корреляции является степенная функция Р = а Мв. Величина эмпирических коэффициент а и в зависит от отмеченных геологических факторов. Например, для Междуреченского района снижение усредненной величины а и е для двух основных систем свидетельствует о повышении степени трещиноватости от крепких обломочных пород с карбонатным цементом к глинистым разностям и к алевролитам:

Системы.I II

Коэффициенты.а в а в

Породы (индексы):

ПК, Кр-К.3,20 0,85 3,25 0,90

Ко К.3,0 0,82 3,10 0,85

П СМ.3,0 0,8 3,05 0,85

Ко Г.2,6 0,8 2,8 0,8

П Г.2,45 0,75 2,6 0,77

А + Пт.2,4 0,72 2,55 0,75

А, Ар .1,6 0,7 1,75 0,7

270-80-70-60-50-4(h30-2(hl6~l(f20-30-4n-50-60 7y^^

90

180

180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 iocs; к a и о >

70 90 70 50 30 10 п \ ц J?n Ы ь г Y \°\с QXO У\( О —■ / V ul ^о£

V. \ о

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Системы: Ср. аз. пад. Ср.угмад. Кол-во зам. Азимут

1 120 77 38

2 166 68 5

3 185 82 30

Всего замеров: 82

Рис. 4.1. Круговая и прямоугольная диаграммы трещиноватости с изолиниями относительной густоты полюсов, построенные по программе Кгаск Ars. Песчаники междупластья IV(V) - VI Междуреченского углеразреза

При повышении степени метаморфизма возрастает степень трещиноватости и снижается величина коэффициентов a vie. Это видно на примере пород Красногорского углеразреза, вмещающих угли марки Т, ПА (на остальных углеразрезах угли марки К):

Системы.I II

Коэффициенты.а в а в

Породы (индексы):

ПК.2,50 0,83 2,7 0,83

П Г.2,5 0,7 2,5 0,76

А.2,4 0,6 2,5 0,62

Влияние состава на величину коэффициентов и степень трещиноватости иллюстрируют данные, полученные для угольных пластов Междуреченского углеразреза с разным содержанием основных компонентов Vt и F:

Пласты.IV(V) Ш I

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Жилин, Валерий Петрович, Санкт-Петербург

1. Предлагаемый вариант автоматизированного проектирования рассмотрим на примере зависимости технологических параметров размещения зарядов в блоке (группа А) от пяти групп (1-5) геологических факторов, что изображено соответствующим образом на рис. 3.2.

2. РАСЧЕТ РАЗМЕЩЕНИЯ ЗАРЯДОВ В БЛОКЕ

3. Файл Исходные данные Окчет ?w

4. Задать | Рассчитать | flUHUR СОПРОтивЛвНиЯ ПО ПОдОШвв (W)

5. Г Г" Г" (контроль) р (для вертикальных)50 1,7-f )'dot (50-8,5d;) dC | 53ктД(\5/у Hyctg5+cзадать1. Рассчитатьm = Г

6. Расстояние между скважинами (а) R = Г ГГ2.Кф2,3(1+Ка)4+(Ка +2Ka-3)sirrft55dc,/2 45 tW 2 32 dcc/2 26d„/21. ШЙ ik^Ll/IЖdff=uo f I ; 2 F2Gpds=1 Jda =1258 * \1. Форма сетки1. Задать j Рассчитать1. P Детальный расчет- а/а1. Г Упрощенный выбор

7. Глубина скважин (Lck) г п Вертикальные скеажшь, 1--- Г Породный уступ W Вскрывающий пласт Наклонные скважины Г

8. Задать Рассчитать \ 1 ,г -1 -1 Ln= (3+0,6f)dit Lh- 5(dcl</2) ' dj j Нд /sin6 + Ln

9. Задать 1 (ГРвссчггать11 !| кв HHI

10. Рис.47. Окно "'Расчет размещения зарядов"варианты, следует сохранить один из них для дальнейшего использования убрать пометки неиспользуемых формул и повторно нажать кнопку "Рассчитать".

11. Когда все параметры определены, можно оформить и напечатать протокол расчета с помощью пункта меню "Отчет".

12. Справка. Каждое окно программы снабжено пунктом ? ". Это справочная служба При обращении к пункту ? " на экране появляется инструкция по выполнению расчетов и связанных с этим операций программы.

13. Форма сетки Мп — 1.6 М Рассчитана7T5EN,1. Скважины вертикальныеlck 14.0 м Рассчитано. Lck = Ну lh lh =5(dt„/2)VSп з1. Рассчитано: п = (Ш W) / Ь1. Проектировал20 г1. Согласовал :20 гУ

14. Рис.4 6 I Тротокол расчетов

15. Внедрение автоматизированного проектирования БВР ведется на углеразрезе "Меж-дуреченский" путем создания АРМ, оснащением ПЭВМ, программных средств и обучения ИТР участка БВР.47. Выводы по главе

16. При камеральной обработке полевых замеров и построении сводных диаграмм трещиноватости целесообразно использовать апробированную в условиях углеразрезов района компьютерную программу Crack Ars (Горный институт, СПб., 2000).

17. Научно-методической основой прогноза служит типизация пород по степени трещиноватости и природной блочности, созданная с использованием большого объема фактических данных и с учетом таксономических требований.

18. Практическое значение имеет план (карта) трещиноватости в виде безмасштабной решетки основных систем трещин.

19. ВНЕДРЕНИЕ ГЕОЛОГО-ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРО-ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

20. Анализ значимости факторов, влияющих на эффективность взрывного дробления пород