Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника

Набатов, Владимир Вячеславович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника"

На правах рукописи

УДК 622:550.3

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКОВ И КРОВЛИ ВЫРАБОТОК ПОДЗЕМНОГО ГИПСОВОГО РУДНИКА

Специальности: 25.00.16 «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая

геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр» 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель профессор, доктор технических наук ВОЗНЕСЕНСКИЙ Александр Сергеевич

Научный консультант

доцент, доктор технических наук ГУПАЛО Татьяна Александровна

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук ЕРМОЛОВ Валерий Александрович кандидат технических наук ТАВОСТИН Михаил Николаевич

Ведущая организация - Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (НИКОН РАН)

Защита диссертации состоится «30» июня 2004 г. в . на заседании

диссертационного совета Д-212.128.04 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6. Факс (095) 237-64-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «17?» мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

БУБИС Ю. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гипс является важнейшим сырьём для промышленности и поэтому постоянно ставится вопрос об увеличении объёмов его добычи. Новомосковское месторождение является одним из крупнейших в мире. Оно поставляет сырье на многие предприятия как в нашей стране, так и за рубежом. В то же время оно является типичным для ряда месторождений гипса, разрабатываемых подземным способом. Технология его подземной добычи обусловлена рядом особенностей. Одной из них является необходимость гипсового целика с низкой водопроницаемостью в кровле выработок. Это создает барьер для прорыва подземных вод, расположенных в верхних горизонтах, и обеспечивает условия для длительного существования подземных выработок без их разрушения. Очень важно поддерживать сохранность защитного целика в кровле выработок. В этих условиях в значительной степени возрастает роль геофизического мониторинга природно-технических объектов и геологической среды при разработке месторождений гипса подземным способом. Это обусловлено как увеличением объемов подземных пустот, так и повышением степени воздействия на массив пород в процессе добычи. Подземные горные выработки, расположенные в населенных районах, где также сосредоточены промышленные предприятия, с течением времени могут стать причиной серьезных технических и экологических катастроф. Разрушение целиков и кровли может привести к сдвижению вышележащих пород и их обрушению с выходом на поверхность. Этому может способствовать и чрезмерно интенсивная отбойка руды при добыче. В этом случае возможно разрушение наземных сооружений, могут стать не пригодными к использованию земли под пашню, нарушится режим подземных вод. При этом будет нанесен и значительный экономический ущерб, который при обрушении может состоять из потерь, связанных с оставлением полезного ископаемого под землей, с потерей и порчей оборудования, с простоем рудника на время аварии, с затратами на ликвидацию последствий катастрофы. Совершенно очевидно, что прогнозирование таких катастроф невозможно без создания методов и технических средств оперативного обнаружения, анализа причин и прогноза последствий чрезвычайных ситуаций, угрожающих безопасности. В настоящее время на руднике используются в основном прямые методы контроля устойчивости конструктивных элементов (бурение до водо-вмещающих пород, внешний осмотр целиков). Эти методы страдают неточностью и трудоемкостью. Применение геофизических методов позволяет увеличить как точность измерений, так и их производительность. Таким образом, тема работы, связанная с разработкой системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника, является актуальной.

Цель работы - создание системы геофизического мониторинга, обеспечивающей получение информации о строении и с ¡-

ли выработок и их изменениях вследствие ведения горных работ на различных стадиях технологического процесса добычи и в разных временных интервалах в условиях гипсового рудника.

Идея работы состоит в использовании для оценки состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника в различные промежутки времени комплекса информативных параметров геофизического контроля: естественного электромагнитного излучения; колебательных процессов, вызванных сейсмическим действием взрыва; георадарного зондирования.

Основпые научные положения и их новизна:

- установлено, что средний уровень естественного электромагнитного излучения, регистрируемого в очистных выработках гипсового рудника, монотонно убывает по экспоненте, показатель которой - ^/г, где t — текущее время в годах, т- 50 лет;

- установлено, что в типичных горно-геологических условиях подземных гипсовых рудников при измерении мощности защитного целика в кровле георадаром оптимальным является среднее значение частоты зондирования 250 МГц, обеспечивающее глубинность не менее 6 метров и погрешность измерения расстояния до водоносного горизонта не более 0,3 метра;

- установлена зависимость вероятности разрушения пород целиков и кровли на гипсовых рудниках в результате взрывного воздействия, учитывающая расстояние до места взрыва и позволяющая рассчитать сейсмически безопасное расстояние.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием метрологически поверенной измерительной аппаратуры, а также применением специальных методик, уменьшающих погрешности измерения электромагнитных явлений в рудниках;

- количеством измерений, обеспечивающим статистическую стабильность и достоверность результатов;

- совпадением результатов определения мощности защитного целика в кровле георадаром с результатами контрольного бурения, не выходящим за пределы 5%-ной погрешности;

- использованием в качестве базовых проверенных методик определения сейсмического действия взрыва на сооружения;

- использованием при обработке данных методов определения напряжений, зарекомендовавших себя при расчетах строительных конструкций на длительную прочность.

Научное значение работы заключается в установлении ряда закономерностей, базирующихся на взаимосвязи геофизических параметров со строением кровли, процессами трещинообразования, степенью взрывного воздействия на массив пород и характеризующих состояние целиков и кровли выработок подземных гипсовых рудников.

Практическая ценность работы. Рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, позволят повысить достоверность контроля

устойчивости массива пород вокруг выработок, снизить затраты на контроль и тем самым способствовать предотвращению нежелательных проявлений горного давления в зоне подземной добычи гипса.

Реализация результатов исследования. По результатам работы составлены методические рекомендации по геофизическому мониторингу целиков и кровли на подземных гипсовых рудниках, которые переданы для практического использования на шахтах ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XI сессии РАО, симпозиуме «Неделя горняка-2004», Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Диссертация изложена на 164 страницах, содержит 67 рисунков и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе сделан обзор современного состояния проблемы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника.

Вопросам контроля состояния подземных природно-технических объектов и геологической среды посвятили свои работы ряд исследователей: Вознесенский А. С, Захаров В. Н.. Ермолов В. А., Иофис М. А., Леонтьев А.

B., Мухаметшин А. М, Опарин В. Н., Попов В. Н., Рубан А. Д., Тавостин М. Н., Шкуратник В. Л., Яковлев Д. В., Яковицкая Г. Е., Ямщиков В. С. и другие.

Значительное влияние на устойчивость конструктивных элементов систем разработки оказывает сейсмическое действие взрыва, изучением которого занимались такие ученые, как Адушкин В. А., Белин В. А., Викторов

C. Д., Куликов В. И., Маловичко А. А., Родионов В. Н., Садовский М. А., Шемякин Е. И. и другие.

В первой главе проведен анализ геологических особенностей залегания месторождения гипса с точки зрения устойчивости пород при его добыче и эксплуатации. Проведена типизация месторождений гипса с точки зрения их строения и состава вмещающих пород. Из этой типизации следует, что Новомосковское месторождение по типам пластов относится к месторождениям сложного строения, а по типам кровель — к группе кровель, сложенных слабыми глинами, обводненных и требующих специальных мер по поддержанию и контролю очистного пространства. Оно является достаточно типичным и схожим с рядом других месторождений. Поэтому результаты, полученные на Новомосковском месторождении, могут быть рекомендованы и

для других месторождений.

Проанализированы возможные опасные явления, возникающие при добыче гипса подземным способом и сформулированы общие требования к системе геофизического мониторинга. Факторы, способствующие возникновению таких явлений, разделены на три группы в зависимости от длительности их формирования и воздействия.

Первая группа факторов относится к промежуткам времени в годы и десятки лет. Она обусловлена длительным квазистатическим действием горного давления и кинетических процессов образования трещин, когда разрушение происходит постепенно под воздействием механических напряжений и температуры. При правильно рассчитанных параметрах системы разработки после выемки полезного ископаемого такие процессы носят затухающий характер, ввиду того, что напряжения далеки от предельно допустимых.

Вторая группа факторов относится к промежуткам времени в месяцы и годы. Она определяется правильностью проходки, когда при извлечении полезного ископаемого в кровле выработки оставляется защитный целик. Он препятствует проникновению подземных вод из вышележащей толщи в подземное пространство и размыву, ослаблению целиков, несущих на себе весь вес вышележащих пород. Мощность водозащитного целика должна поддерживаться постоянной, для условий Новомосковского месторождения она должна находиться в пределах от 5 до 6 метров.

Третья группа - это факторы, действующие в диапазоне времени от долей секунды до суток. Эта группа связана с сейсмическим действием взрыва и перераспределением горного давления после отбойки руды.

Проанализированы научно-исследовательские работы, которые были проведены на этом и других месторождениях, а также существующие методы, которые могут быть применены для решения задач геофизического мониторинга.

Показано, что для мониторинга длительной устойчивости целиков и кровли в наибольшей степени требованиям оперативности, точности и производительности измерений отвечают высокочастотные электромагнитные методы, а среди них - метод регистрации естествегаюго электромагнитного излучения (ЭМИ). В то же время это явление отчетливо возникает не на всех типах пород. Поэтому возникла необходимость проверки существования этого явления в условиях гипсового рудника и определения его возможностей для оценки напряженно-деформированного состояния целиков и кровли.

Для мониторинга среднесрочной устойчивости массива пород вокруг выработок наряду с прямым методом определения мощности защитного целика в кровле бурением скважин в работе рекомендовано использовать метод георадара, который, являясь бесконтактным, также обеспечивает необходимые оперативность и производительность измерений. При использовании этого метода требования к глубинности и разрешающей способности являются противоречивыми. Эти требования определяются диапазоном частот

излучаемого электромагнитного сигнала. Поэтому необходимо провести соответствующие расчеты и натурные измерения, которые позволили бы выбрать оптимальные значения частоты, обеспечивающие требуемые глубинность и разрешающую способность.

Для мониторинга краткосрочного воздействия на массив пород и его устойчивости в процессе взрывной отбойки при добыче руды необходимо провести сейсмометрические измерения и оценить воздействие взрыва на массив пород с вероятностных позиций. Это позволило бы определить размер зоны разрушения в массиве, а также установить безопасное расстояние от места взрыва до места размещения техники.

Указанные причины дают основания для формулировки задач исследований, которые для условий подземного гипсового рудника позволяют:

- разработать структуру системы мониторинга;

- разработать методику расчета обобщенных показателей электромагнитного излучения при оценке его параметров приборами с различными амплитудно-частотными характеристиками, чувствительностями и др;

- провести исследования и разработать метод оперативной оценки долгосрочной устойчивости целиков и кровли подземных выработок путем регистрации электромагнитного излучения;

- оценить возможности, глубинность и погрешность определения мощности защитного целика в кровле с использованием георадаров в условиях рудника;

- провести натурные исследования и разработать методику определения сейсмического действия взрыва на основе вероятностных оценок разрушения массива горных пород.

Предложена структура системы, которая учитывает временные факторы различной протяженности и состоит из подсистем длительного, среднесрочного и кратковременного мониторинга.

Геофизический мониторинг состояния конструктивных элементов системы разработки в процессе их длительной эксплуатации

Контроль процессов разрушения предлагается вести путём наблюдения за процессом образования микротрещин, предшествующих появлению трещин большого размера, что в итоге приводит к катастрофическому разрушению пород.

При использовании метода регистрации ЭМИ необходимо решить две задачи: приведение к обобщенным показателям результатов измерений, полученных разными типами и экземплярами приборов, и получение шкалы соответствия показаний приборов состоянию контролируемых объектов.

Очень часто амплитуда сигналов естественного ЭМИ горных пород измеряется либо в единицах напряжения выходного или входного сигнала,

либо в единицах напряженности входного электрического поля. Эти результаты не могут считаться корректными, поскольку сигнал ЭМИ является широкополосным, и выходные показания прибора будут зависеть от коэффициента усиления, ширины полосы пропускания и формы амплитудно-частотной характеристики регистрирующего прибора.

Поэтому в качестве обобщенного показателя результатов измерения параметров ЭМИ в работе предлагается использовать эквивалентную равномерную по диапазону спектральную плотность напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, рассчитываемую по формуле

где Нф - амплитудно-частотная характеристика комплекса; ивых ■- выходное напряжение прибора;; /„¿„, - нижняя и верхняя частоты полосы пропускания прибора.

Для расчета эквивалентной спектральной плотности следует рассчитать интеграл

в знаменателе этого выражения. В работе использовался прибор «Ангел», выпускаемый ВНИМИ. Этот прибор представляет собой радиоприёмное устройство с рамочной антенной и регистрирует электромагнитное излучение в полосе частот от 10 до 50 кГц. Для этого экземпляра были проведены лабораторные измерения, в которых производились излучение электромагнитного поля от генератора с антенной и регистрация измерительным приемником 8МУ-11 с рамочной антенной БМА-И и прибором «Ангел». Для него получено значение Кэ = 0,23 мТц.

При оценке уровня ЭМИ в выработках может быть рекомендовано несколько методик, отличающихся количеством положений рамки в каждой точке измерения. В данной работе на каждой стоянке производятся 2 измерения: одно при ориентации рамки на стенку выработки (перпендикулярно) 1/„„ и другое - при ориентации параллельно ей 1}„р. При таком варианте рамка в обоих случаях принимает сигналы из кровли. Но при первом положении она принимает сигналы также из стенки, а при втором - не принимает. Поэтому признаком прихода сигналов из стенки будет наличие сигнала в первом случае и отсутствие его во втором. Если сигнал имеется в обоих случаях, он принимается из кровли.

Измерения производились вдоль профиля выработки с шагом 1 метр. Рамка держалась на высоте 1,5 метра над почвой. В процессе измерений визуально регистрировались и зарисовывались признаки разрушения на стенках выработки для последующего сопоставления с результатами измерений.

Измерения в целике панели 4 камеры 5, отработанной в 50-е годы (рис.

1а).

На участке от 0 до 10 метров наблюдается увеличение уровня сигнала как в измерениях вдоль целика, так и перпендикулярно ему. Это говорит о том, что какое-либо нарушение или помеха находятся над местом проведения съемки. На участке от 10 до 30 метров особых изменений характеристик сигнала не наблюдается, 30-40 метров - виден резкий всплеск на измерениях перпендикулярно стенке выработки (максимум диаграммы направленности антенны направлен в целик). На измерениях параллельно целику этот пик в несколько раз меньше и смещен дальше от начала целика. Далее уровень сигнала при перпендикулярном положении антенны испытывает частые увеличения и уменьшения, но уже гораздо в меньших пределах, чем первоначальный пик. А при параллельном положении антенны колебания уровня сигнала происходят почти на таком же уровне, как в пике. Близкая к этому картина наблюдается и на графиках остальных параметров. Подобное изменение характеристик ЭМИ вдоль целика вполне соответствует внешним проявлениям трещинообразования на поверхности целика, описанным на основе визуальных наблюдений. Общее количество нарушений явно увеличивается по ходу съемки, увеличиваются и значения амплитуд и мощности ЭМИ к концу целика.

Измерения в целике панели 7, отработанной в 70-е годы (рис. 1. б)

Для целика, отработанного в 70-е годы, характерен большой разброс значений уровня сигнала ЭМИ. Тем не менее, можно заметить, что линии графиков различных параметров сохраняют некоторые общие тенденции. От 0 до 10 метров наблюдается несколько пиков уровня сигнала. По обоим типам (параллельно/перпендикулярно) съемки в стенке наблюдается увеличение уровня сигнала, это особенно хорошо видно на графиках амплитуды и энергии сигнала. На отрезке длины целика от 20 до 30 метров виден выброс при измерениях рамкой, расположенной параллельно целику, измерения же производившиеся перпендикулярно целику, дают достаточно ровный и гладкий график. На расстоянии 30-40 метров заметно некоторое поднятие уровня сигнала как на измерениях параллельно целику, так и на измерениях перпендикулярно ему. На расстоянии 40-50 метров есть два небольших пика, которые с разной степенью просматриваются на параметрах сигнала. Измерения перпендикулярно целику дают похожие увеличения уровня сигнала. Эти повышенные значения на расстояниях от 10 до 30 метров по пути съемки согласуются с видимыми нарушениями. Причиной резкого выброса в конце графиков является близость сбойки, где напряжения в заостренной части массива увеличены относительно среднего уровня.

Измерения в целике камеры 2 панели 12, отработка ведется в настоящее время (рис. 1, в).

На участке целика до 10 метров при измерениях параллельно целику наблюдается чрезвычайно высокий уровень сигнала, доходящий до 9 мкВ и

Рис. 1. Схемы участков измерения и соответствующие им зависимости амплитуды сигнала ЭМИ в мкВ от расстояния (по оси ординат)

более. На измерениях перпендикулярно целику особых увеличений уровня сигнала не наблюдается. Всплески сигнала совпадают с видимыми нарушениями: с выходящей на поверхность и длящейся почти до самой потолочины трещиной и находящимся внизу небольшим вывалом. На участке 10-20 метров значения сигнала, измеренного параллельно целику, становятся значительно меньшими по сравнению с сигналами, измеренными рамкой перпендикулярно целику. На участках от 10 до 40 метров значения сигнала, измеренного рамкой перпендикулярно целику, испытывают резкие изменения. Здесь можно насчитать 4 больших пика, сравнимых по высоте с пиком сигнала, измеренного параллельно целику на участке 0-10 метров. В то же время на участке 10-40 метров сигнал, измеренный параллельно целику, почти не меняет своих значений за исключением одного относительно небольшого пика в середине участка. На расстояниях от 40 до 50 метров оба сигнала испытывают небольшое увеличение.

На основании полученных результатов исследования уровня ЭМИ при съемке по длине целика и сравнения их с результатами осмотра можно предположить наличие связи между трещиноватостью в массиве, нарушениями, выходящими на поверхность, и уровнем ЭМИ.

На основании результатов исследований было рассчитано среднее значение ЭМИ для каждого из целиков (рис. 2). Рассматривая эту зависимость, можно сделать вывод, что с увеличением срока службы целика интенсивность электромагнитного излучения уменьшается. Это связано с уменьшением напряжений в зоне опорного давления и смещением ее в глубь массива пород с течением времени. Сразу после образования целика указанные напряжения велики, а зона опорного давления находится ближе к контуру выработки. Это приводит к повышению значений плотности потока импульсов ЭМИ от образующихся трещин и уменьшению затухания при распространении сигнала. Если процесс образования трещин носит затухающий характер, то с течением времени количество трещин в краевой зоне увеличивается. Следовательно, напряжения в зоне опорного давления уменьшаются, а данная зона сдвигается вглубь. Если же процесс трещинообразования является установившимся или прогрессирующим, то наблюдается повышение и амплитуды, и плотности потока импульсов электромагнитного излучения.

На рис. 2 приведена аппроксимация среднего уровня ЭМИ для целиков с разным сроком службы:

Здесь и — максимальная величина импульсов ЭМИ, мкВ; * — срок службы целика; ст0 = 4,53 мкВ; ах = 49,5 года — эмпирические коэффициенты.

10 20 30 40 50 Срок службы целика, лет

Рис. 2. Зависимость среднего уровня ЭМИ от срока службы целика

Превышение уровня значений, рассчитанных по этой зависимости, свидельствует об интенсивных процессах трещинообразования и разрушения пород. Это является сигналом для более детального обследования данного участка.

Среднесрочный мониторинг мощности водоупорной потолочины в процессе отработки камер

Одной из важнейших задач при ведении добычных работ на подземном гипсовом руднике является обеспечение определенной толщины защитного гипсового охранного целика в кровле. Его назначение - изоляция выработанного пространства от прорыва вод, находящихся в вышележащих горизонтах, сложенных глиной, доломитами, известняками. Мощность рудного целика должна выдерживаться в пределах 5-6 метров. Меньшее значение недопустимо из требований безопасности. Большая величина создает неоправданные потери полезного ископаемого. Хотя верхний контакт гипса с вышележащими породами близок к горизонтальному, имеются участки с более значительным его наклоном, и в процессе добычи возможно отклонение толщины целика от заданных размеров.

В настоящее время контроль толщины целика осуществляется бурением контрольных скважин по сеткам 60x60 метров и 30x30 метров, что является трудоемкой и дорогостоящей операцией. Кроме того, в условиях повышения требований к технической эффективности добычных работ возникает необходимость оперативного контроля с целью корректировки работ и поддержания толщины целика в заданных пределах.

Для решения задачи был выбран метод из группы геоэлектрических методов - метод импульсного георадара. Работа георадара основана на излучении в среду электромагнитного импульса и последующем приеме отраженного сигнала. Короткие электромагнитные импульсы попадают на границу раздела сред с контрастом электрических свойств и переизлучаются в обратном направлении. В приемной части прибора записываются время распространения сигнала и амплитуда электрической компоненты Е этих импульсов.

В измерениях на гипсовом руднике используется радиотехнический прибор подповерхностного зондирования "0КОМ1", разработанный и выпускаемый ГП НИИ приборостроения им. В. В.Тихомирова (г. Жуковский Московской обл.).

Прибор обеспечивает обнаружение металлических и неметаллических предметов на глубинах до 15 м. Управление работой прибора осуществляется с помощью ноутбука. Питание прибора осуществляется от аккумуляторных батарей. Время непрерывной работы - не менее 4 часов.

В работе использовались георадары со средней частотой 150 и 400 МГц. Измерения проводились в кровле, почве и стенке камерного вентиляционного штрека (КВШ-2) панели 9, а также в кровле камер этой панели. При измерениях в камерах профили снимались в высокой кровле и низкой кровле первого уступа.

Предварительно перед основными измерениями производились дополнительные измерения. Измерения в стенке (между камерно-вентиляционным штреком (КВШ) и камерой) позволили проверить правильность значения диэлектрической проницаемости £= 6, принятой в расчетах, поскольку размер зондируемого участка массива пород здесь известен (расстояние от одной выработки до другой), а граница гипс-воздух на противоположной стороне при измерениях из КВШ на радарограмме может быть прослежена четко. Ширина целика между КВШ и камерой составляет 4 м. Измерения проводились при средней частоте георадара 150 МГц и при средней частоте 400 МГц.

При частоте 150 МГц сигнал от противоположной стенки прослеживался четко, полученное расстояние равно 4 м. В то же время сигнал георадара с частотой 400 МГц выражен слабо, отражение от противоположной стенки отсутствует из-за сильного поглощения радиоволн этой частоты.

Измерения в почве позволили оценить пределыгую дальность лоциро-вания георадара «ОКО-М1» с антенными блоками АБ-150 и АБ-400 в гипсе. Производились измерения в направлении вниз как при измерешга с шагом в отдельных точках, так и при протяжке георадара со скоростью 5-15 см/с в квазинепрерывных режимах измерения и регистрации с частотой 25 Гц. Измерения производились с антенными блоками АБ-150 и АБ-400 и длительностями разверток 200 и 400 не для АБ-150 и 100 и 200 не для АБ-400. Предельная дальность определялась как расстояние от поверхности до границы между участками сигнала и шума. Максимальная глубина зондирования при средней частоте антенного блока 150 МГц меняется в пределах от 10-12 метров до 13-15 метров. При средней частоте 400 МГц глубина зондирования составляла всего 3,3 метров, иногда глубина зондирования доходила до 5 метров. Исследования выявили неприемлемость использования георадара с антенной АБ-400 (частота 400 МГц). Для определения мощности защитного целика эта частота должна быть равна или меньше 250-300 МГц.

Наличие водонасыщенных слоев приводит к увеличению проводимости пород и уменьшению глубины зондирования. По резкому затуханию сиг-

нала на глубинах 10-12 метров можно говорить о наличии влагонасыщенных горизонтов.

Основные измерения в кровле КВШ производились двумя георадарамн со средними частотами 150 и 400 МГц. На первом участке длиной 75 метров с шагом 1-1,25 метров измерения производились обоими георадарами. На участке длиной 120 метров - с тем же шагом, но с одним георадаром со средней частотой 150 МГц. В процессе съемки антенна прижималась к кровле выработки, затем производилось измерение, после снятия показаний в одной точке антенна смещалась на 1-2 метра вдоль выработки и производилось следующее измерение. С выбранным шагом проходился весь профиль выработки.

На рис. 3 представлены результаты измерений в кровле на участке 75 м георадаром с блоком АБ-150. На радарограмме прослеживаются отражающие границы на глубинах около 1,5,4,0 и 6,0 метров. Глубина последней границы по длине профиля меняется. На радарограмму нанесены данные по литологии, полученные в процессе бурения скважин на воду. Граница на глубине 1,5 м согласуется со слоем кремня, граница на глубине 4,0 м - с переходом от слоистого к пятнистому гипсу через селенит. Выше последней границы раздела на глубине около 6,0 м наблюдается резкое затухание сигнала, что может быть интерпретировано как начало обводненной зоны.

Следует заметить, что при бурении контрольных скважин контакт с водоносным горизонтом может проявлять себя либо незначительным притоком, (вода начинает течь по каплям), либо отмечается резким прорывом воды в шпур и выходом в виде мощной струи. Различие таких контактов проявляет себя и на радарограмме, когда наблюдается расхождение глубин границ, наблюдаемых по радарограмме и по результатам бурения скважины, как, например, на скважине 2088, по данным которой глубина составляет 6,5 метров, а по данным георадара - 5,5 метра.

На рис. 3 представлены результаты измерения в кровле на участке протяженностью 120 метров с АБ-150. Здесь при координатах профиля от 0 до 75 метров, как и в предыдущем случае, прослеживаются границы на глубинах около 1,5 и 4,0 метра. При координатах от 75 до 120 метров наблюдается изменение строения пород. Так же как и в предыдущем случае, расстояния до водоносного горизонта, полученные бурением скважин, и расстояния до зоны резкого снижения сигнала георадара близки друг другу. Так, например, большее расстояние на скважине 2046 по сравнению со скважиной 2043 соответствует увеличению расстояния до границы на радарограмме. Большая глубина на скважине 2034 соответствует большему расстоянию до границы зоны распространения сигнала по радарограмме. Следует также отметить различный характер изображений на радарограмме по длине профиля. При значениях координаты от 0 до 70 метров прослеживается более четкий

Рис. 3. Результаты измерения мощности водозащитной потолочины с блоком АБ-150: вверху - измерения в кровле на участке протяженностью 75 м; внизу - измерения в кровле на участке протяженностью 120 м

контакт, чем при значениях координаты 100-120 метров. Это обусловлено различием перехода от гипсового целика к водоносному горизонту, который может быть представлен как глинами, так и доломитами и мергелями, что обусловливает более резкую или более плавную границу.

В результате проведенных исследований доказаны возможность и целесообразность определения толщины защитного рудного целика методом георадара; метод обеспечивает необходимую оперативность проведения измерений, согласуется с технологией добычи полезного ископаемого. В условиях Новомосковского гипсового рудника георадары со средней частотой 150 МГц обеспечивают глубинность до 10-12 метров при погрешности 0,46 метра; на участках с меньшим затуханием указанная величина может доходить до 14-16 метров. Георадары со средней частотой 400 МГц дают более детальную картину за счет более высокой разрешающей способности, однако гарантированная глубинность в данных условиях не превышает 4-6 метров. Для съемки профиля наиболее предпочтительным является режим непрерывных измерений; по сравнению с измерениями, осуществляемыми с шагом 11,5 метра в отдельных точках, непрерывный режим за счет увеличения количества измерений дает более наглядный и легче интерпретируемый результат в условиях тонкослоистой гипсовой кровли.

Среднеквадратическое отклонение (с.к.о.) при этом равно а = 0,283 метра. При уровне значимости 0,1 доверительная вероятность равна 0,9, значение интеграла вероятности Ф(г) = 0,45, а г = 1,64. При этом погрешность однократного измерения равна ± 0,464 метра. Для проведения измерения может быть рекомендовано среднее значение частоты, равное 250 МГц. Повышение частоты со 150 до 250 МГц, то есть в 1,7 раза, приведет к аналогичному уменьшению погрешности. Для этой частоты погрешность измерения будет равна 0,27 метра, что приемлемо для практики. Таким образом, показано, что как оптимальную следует выбрать рабочую частоту, равную 250 МГц. Она обеспечивает как необходимую глубинность зондирования более 6 метров, так и допустимую погрешность измерения.

Мониторинг сейсмического воздействия массового взрыва на целики и кровлю выработок

При мониторинге кратковременных воздействий на целики и кровлю производились измерения скорости колебания массива пород. Использовалась сейсмическая портативная станция иЭкспресс-3", изготовитель - конструкторское бюро геофизического приборостроения "Геофизприбор" Российской академии наук. Замеры производились с помощью сейсмоприемников СМЗ-КВ, расположенных на полках, которые крепились к кровле выработки и к целику; на контуре кровли комплект устанавливался в центральной части, на стенке целика - на расстоянии 3 метра от кровли. В каждой точке использовалось 3 сейсмоприемника для получения 3-компонентного сигнала. Значения скорости получали с учетом коэффициента преобразования сейсмо-

приемника. Результирующая величина - выходное напряжение, пропорциональное скорости, преобразовывалась в цифровую форму и записывалась в виде файла на диск. Взрывы происходили на различном расстоянии от сейс-моприёмников в соседних камерах. Измерительный блок, осуществляющий оцифровку и запись данных в файл, находился в откаточном штреке в вагончике, защищенном от влаги и падающих мелких отслоений крокли. Из записанных файлов вырезались участки, содержащие непосредственно запись сейсмического сигнала. Эти участки обрабатывались, и по ним определялись максимальные скорости, а также напряжения, возникающие в породах в зависимости от расстояния до взрыва. Впоследствии полученные величины напряжений сравнивались с показателями прочности пород и вычислялись вероятности разрушения (на основании этого делался вывод о безопасности взрывных работ). Также по этим значениям рассчитывались значения радиуса безопасной зоны, где вероятности разрушения не превышают величины 0,001, принятой за порог безопасности (на основании этого получались данные о безопасном расстоянии нахождения рудничной техники от места взрыва).

Обработка полученных данных велась с помощью электронных таблиц Excel и нескольких программ, написанных в среде MathCAD.

По результатам измерений построены графики и рассчитаны эмпирические зависимости колебательной скорости от расстояния до взрыва (рис. 4). Поскольку количество одновременно взрываемого ВВ определено заранее и остается постоянным, зависимость рассчитана только для расстояния. Здесь же приведена шкала расстояний в относительных единицах по отношению к диаметру шпура.

По сраииешпо с результатами, полученными па этом месторождении ВНИМИ в 60-х годах, приведенные зависимости дают несколько большие значения, хотя и близки к ним. Это объясняется тем, что в первом случае измерения проводились в частотном диапазоне от 60 до 200 Гц, при котором более высокие частоты затухают в массиве пород сильнее, и поэтому аппроксимирующая линия идет ниже, чем в случае измерений в диапазоне частот от 0,5 до 48 Гц.

Расчет относительных деформаций проведен численным методом. За

время между соседними отсчетами АЦП Д/ = —, где F — частота дискритиза

ции, волна распространится на расстояние Д/ = с-Д/=—•. Для момента време-

ни f, по отношению к приращение абсолютных деформаций составит Адг = *,-х(_1. Именно такое изменение смещений будет наблюдаться на расстоянии Д/ вдоль направления распространения волны. Отсюда относительная деформация в момент времени может быть рассчитана как

1/25 10/250 100/2500 1000/25000

Расстояние, м / Отношение расстояния к диаметру шпура Рис 4. Результаты измерений колебательной скорости в зависимости от расстояния до взрыва в метрах (числитель) и по отношению к диаметру шпура 0,04 метра (знаменатель)

На рис 5 представлены сейсмограммы сигналов в единицах относительных деформаций. Суммарная деформация для каждого момента времени

определена как величина полного вектора деформаций с = -¡в] + E2hS + e\w , где - соответственно суммарная относительная деформация, а

также деформации вертикальная и по направлениям север-юг и восток-запад. После этого рассчитаны максимальные относительные деформации для кровли и стенки. Максимальные относительные деформации пересчитаны в

максимальные напряжения для кровли и стенки по формуле

где.Е - модуль упругости, МПа; ^щи - максимальная суммарная относитель ная деформация

Время, с Время, с

Рис. 5. Примеры сейсмограмм относительных деформаций в зависимости от времени для сейсмоприемников 1-3 (слева), размещенных на кровле, и сейсмоприемников 4-6 (справа), размещенных на стенке выработки

Указанные значения напряжений представлены на рис. 6 и 7 в виде точек на плоскости в координатах "расстояние до взрыва - максимальные напряжения". Там же приведены аппроксимирующие зависимости (степенная функция), которые будут использованы в дальнейших расчетах при определении радиуса безопасной зоны.

Таким образом, в дальнейших расчетах будут использованы следующие зависимости максимальных напряжений от расстояния: для кровли ак = 1,582-Г"0-643; для стенки ар =4,989-г"1'024.

Для последующих расчетов потребуется зависимость с. к. о. или дисперсии от расстояния до взрыва. Получены следующие выражения: - для кровли; - для стенки, где

- дисперсия напряжений в кровле и стенке соответственно. Для расчета вероятности разрушения от расстояния была использована методика Ржа-ницина А. Р., позволяющая рассчитать эту вероятность по известным значениям нагрузки и прочности, а также их с.к.о. С использованием этой методики были рассчитаны зависимости, изображенные на графиках рис. 8.

Указанные зависимости характеризуют степень воздействия взрыва на массив пород. В качестве допустимой вероятности разрушения принято значение 0,001, что соответствует правилу «трех сигм». Участок массива от поверхности обнажения до расстояния, показанного стрелками, является участком повышенной трещиноватости.

у=(4 988606)*хл(-1 023508)

и *

л §

0 01

0 001

0 0001

^^ ! -

« 1 с <1 1 • о о 0 > в о

1 1 О й 8

1 10 100 1000

Расстояние, м

Рис. 6. Зависимость максимальных напряжений в кровле от расстояния до взрыва

у=<1 581757)**Х-0 6433995)

Расстояние, м

Рис. 7. Зависимость максимальных напряжений в стенке от расстояния до взрыва

Для определения расстояния, в границах которого наиболее вероятно отслоение и падение заколов, нужно учитывать уменьшение прочности, связанное с существующими трещинами и влажностью. Влияние первого фактора учитывается коэффициентом структурного ослабления.

На рис. 9 представлена номограмма, позволяющая рассчитать безопасное расстояние в зависимости от коэффициента структурного ослабления массива пород ивлажно-сти.

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00

Влажность, %

Рис. 9. Зависимость минимально допустимого расстояния до взрыва от коэффициента структурного ослабления и влажности для селенита

Указанные зависимости характеризуют сейсмическое действие взрыва на массив пород и могут быть использованы на практике.

Среди трёх рассмотренных в данной работе методов мониторинга наиболее целесообразно рассчитать экономическую эффективность определения мощности водоупорной потолочины с помощью георадара. Экономический эффект от замены контрольного бурения георадарными измерениями при оп-

Рис. 8. Зависимость вероятности разрушения от расстояния до взрыва для селенита РЛ(х), РР(х) - для кровли и целика соответственно

ределении мощности защитного целика в кровле выработок образуется за счёт получения дополнительной информации и замены сетки бурения с шагом 30 метров сеткой с шагом 60 метров, что допускается соответствующими рекомендациями. Он составляет 26185 рублей на одну очистную камеру длиной 300 метров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей законченную научно-квалификационную работу, дано новое решение актуальной научной задачи разработки системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника на различных стадиях технологического процесса добычи и в разных временных интервалах.

Основные выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований и внедрении разработок, заключаются в следующем:

1. Комплексный геофизический мониторинг целиков и кровли подземного гипсового рудника предлагается осуществлять с учетом особенностей процесса добычи на трех стадиях и в различные промежутки времени: длительный мониторинг (годы, десятки лет), среднесрочный мониторинг (дни, месяцы), краткосрочный мониторинг (доли секунд, часы).

2. Обоснована методика, позволяющая пересчитать выходные показания приборов регистрации ЭМИ, выраженные в единицах напряжения, в эквивалентную спектральную плотность напряженности электрического поля

Указанный параметр является обобщенным и позволяет сравнивать результаты, полученные разными приборами с отличающимися друг от друга коэффициентами усиления и формами амплитудно-частотных характеристик.

3. На основе измерений в натурных условиях на гипсовом руднике получены ориентировочные значения спектральной плотности напряженности электрического поля, соответствующие разным степеням разрушения гипса; при этом установлено, что отсутствию процессов образования и накопления трещин соответствуют значения эквивалентной спектральной плотности напряженности поля меньше 28,1 мкВ/(м-Гц), а интенсивным процессам разрушения - более 43,3 мкВ/(м-Гц).

4. Для целей длительного мониторинга установлена закономерность изменения уровня ЭМИ, усредненного по длине целика, от его возраста; с увеличением срока службы целика средняя амплитуда сигнала ЭМИ уменьшается; указанная закономерность хорошо описывается экспоненциальной зависимостью с параметром 50 лет (коэффициент детерминации Я2—0,997).

5. Установлено, что в условиях Новомосковского гипсового рудника георадары со средней частотой 150 МГц обеспечивают глубинность до 10-12 метров; на участках с меньшим затуханием указанная величина может доходить до 14-16 м; для георадаров со средней частотой 400 МГц гарантированная глубинность в данных условиях не превышает 4-6 метров.

6. Для среднесрочного мониторинга мощности защитного целика в кровле георадарами установлено, что оптимальным является значение средней частоты, равное 250 МГц, при этом погрешность составляет 0,27 метра, в то время как при средней частоте 150 МГц она равна 0,46 метра, а глубинность до 8-10 метров.

7. Как результат краткосрочного мониторинга получены выражения зависимости колебательной скорости в м/с от расстояния в метрах у = 0,282-х' 1,092 (Я2 = 0,74) - для кровли, у = 0,2603-х1'25 (Я2 = 0,8) - для стенки. Получены аналогичные зависимости для максимальных напряжений в МПа у=1.58-х " 0 643 »у=4.99-х *' °24.

8. Получены зависимости вероятности разрушения селенита, позволяющие рассчитать глубину зону воздействия взрыва на массив горных пород, а также номограмма для расчета минимального допустимого расстояния до взрыва в зависимости от коэффициента структурного ослабления и влажности пород.

По результатам работы составлены методические рекомендации по геофизическому мониторингу целиков и кровли на подземных гипсовых рудниках, которые переданы для практического использования на шахтах ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Набатов В. В. Исследование воздействия взрыва на массив пород вокруг выработок Новомосковского рудника. Сборник научных трудов студентов магистратуры Московского государственного горного университета под ред. дейст. члена РАЕН. докт. техн. наук, проф. Б.И. Федунца. Вып.2. - М.: изд-во МГТУ 2001, с. 211-213.

2. Набатов В. В. Исследование воздействия взрыва на массив пород вокруг выработок Новомосковского рудника с целью предотвращения экологических опасностей и катастроф. 2-я Международная конференция стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения». Сборник научных докладов и тезисов. 4.1. АМН (Академия менеджмента инноваций), 2000, с. 101102.

3. Набатов В.В. Исследование сейсмического воздействия промышлен-

ного взрыва на массив пород вокруг выработок Новомосковского рудника. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2001, №3, с. 104-106.

4. Вознесенский А.С., Набатов В.В. Характеристики сейсмических волн при взрывах в условиях подземного гипсового рудника. Сборник трудов XI сессии Российского акустического общества. Т. 2. Акустические измерения, геоакустика, электроакустика, ультразвук. - М: Геос, 2001, с. 113-117.

5. Вознесенский А.С., Набатов В.В. Оценка трещинообразования в массиве с пшсосодержащими породами методом регистрации электромагнитного излучения. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003, №3, с. 3-12.

6. Вознесенский А.С., Набатов В.В. Определение мощности защитного целика в кровле выработок гипсового рудника георадарами. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2004, №2, с. 10-14.

Подл, в печать ftofO1! г. Объём 1 п.л.

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Заказ 7/2.

Отпечатано в типографии МТУ, Ленинский пр., 6

у|- 1 3 79J

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Набатов, Владимир Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКОВ И КРОВЛИ ПОДЗЕМНОГО ГИПСОВОГО РУДНИКА.

1.1. Анализ геологических особенностей залегания месторождения гипса с точки зрения устойчивости пород при его добыче и эксплуатации.

1.2. Анализ проблем, возникающих при добыче гипса подземным способом.

1.3. Существующие средства мониторинга строения и напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг выработок.

1.4. Постановка задач исследования.

2. ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ В ПРОЦЕССЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1. Анализ возможностей метода и характеристик комплексов регистрации электромагнитного излучения для определения состояния массива пород вокруг горных выработок.

2.2. Оценка метрологических и эксплуатационных характеристик комплекса регистрации электромагнитного излучения «Ангел» на базе измерений в лабораторных и натурных условиях.

2.2.1. Краткая характеристика комплекса «Ангел» и его возможностей при регистрации ЭМИ.

2.2.2. Определение метрологических характеристик комплекса.

2.2.3. Расчет соотношений при импульсном широкополосном воздействии.

2.2.4. Амплитудная характеристика комплекса.

2.3. Методические основы проведения измерений на натурных объектах

2.4. Лабораторные измерения импульсного электромагнитного излучения и отработка методики измерений.

2.5. Натурные измерения импульсного электромагнитного излучения в условиях гипсового рудника.

2.7 Определение значения электромагнитного излучения, усредненного по длине камеры.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.

3. СРЕДНЕСРОЧНЫЙ МОНИТОРИНГ МОЩНОСТИ ВОДОУПОРНОЙ

ПОТОЛОЧИНЫ В ПРОЦЕССЕ ОТРАБОТКИ КАМЕР.

3.1. Общее описание метода.

3.4. Аппаратура для георадарных измерений, использовавшаяся при определении мощности защитного целика в кровле.

3.5. Проведение измерений.

3.5.1. Условия проведения измерений.

3.5.2. Измерения в стенке КВШ в сторону камеры.

3.5.3. Измерения в почве КВШ.

3.4.4. Измерение в кровле КВШ.

3.5.5. Проведение измерений мощности охранного целика в кровле на участке потолкоуступной системы разработки.

3.5.6. Анализ результатов.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3.

4. МОНИТОРИНГ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МАССОВОГО

ВЗРЫВА НА ЦЕЛИКИ И КРОВЛЮ ВЫРАБОТОК.

4.1. Исследование свойств и характеристик пород Новомосковского месторождения гипса.

4.1.1. Условия проведения испытаний.

4.1.2. Деформационные характеристики гипса.

4.1.3. Зависимость скорости ультразвуковых волн от напряжений в образцах гипса.

4.1.4. Выводы из исследований свойств и характеристик.

4.1.5. Влияние коэффициента структурного ослабления на предел прочности пород, принимаемый в расчет.

4.1.6. Влияние влажности на предел прочности.

4.2. Разрушение массива пород вокруг выработок в результате сейсмического действия взрыва и влажности.

4.3 Методика проведения натурных измерений.

4.3.1. Измеряемые характеристики и параметры.

4.3.2. Характеристика измерительной аппаратуры.

4.4. Размещение измерительной аппаратуры в выработках.

4.5. Последовательность операций при проведении измерений.

4.6. Методика обработки данных и результаты измерений колебательных скоростей и их максимальных значений.

4.7. Обоснование и расчет относительных деформаций и напряжений, вызываемых сейсмической волной.

4.8. Обоснование безопасного расстояния до взрыва.

4.9. Расчет безопасного расстояния на основе полученных зависимостей и данных о прочностных свойствах пород кровли и целиков.

4.9.1. Расчет вероятности разрушения массива, не ослабленного взрывными работами.

4.9.2. Расчет вероятности разрушения массива, ослабленного взрывными работами.

4.10. Экономическая эффективность внедрения предлагаемых методов мониторинга.

4.10.1. Расчет затрат на бурение контрольных скважин.

4.10.2. Затраты на проведения георадарных измерений.

4.10.3. Расчет экономической эффективности предлагаемого метода

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника"

Актуальность работы. Гипс является важнейшим сырьём для промышленности и поэтому постоянно ставится вопрос об увеличении объёмов его добычи. Новомосковское месторождение является одним из крупнейших в мире. Оно поставляет сырье на многие предприятия как в нашей стране, так и за рубежом. В то же время оно является типичным для ряда месторождений гипса, разрабатываемых подземным способом. Технология его подземной добычи обусловлена рядом особенностей. Одной из них является необходимость гипсового целика с низкой водопроницаемостью в кровле выработок. Это создает барьер для прорыва подземных вод, расположенных в верхних горизонтах, и обеспечивает условия для длительного существования подземных выработок без их разрушения. Очень важно поддерживать сохранность защитного целика в кровле выработок. В этих условиях в значительной степени возрастает роль геофизического мониторинга природно-технических объектов и геологической среды при разработке месторождений гипса подземным способом. Это обусловлено как увеличением объемов подземных пустот, так и повышением степени воздействия на массив пород в процессе добычи. Подземные горные выработки, расположенные в населенных районах, где также сосредоточены промышленные предприятия, с течением времени могут стать причиной серьезных технических и экологических катастроф. Разрушение целиков и кровли может привести к сдвижению вышележащих пород и их обрушению с выходом на поверхность. Этому может способствовать и чрезмерно интенсивная отбойка руды при добыче. В этом случае возможно разрушение наземных сооружений, могут стать не пригодными к использованию земли под пашню, нарушится режим подземных вод. При этом будет нанесен и значительный экономический ущерб, который при обрушении может состоять из потерь, связанных с оставлением полезного ископаемого под землей, с потерей и порчей оборудования, с простоем рудника на время аварии, с затратами на ликвидацию последствий катастрофы. Совершенно очевидно, что прогнозирование таких катастроф невозможно без создания методов и технических средств оперативного обнаружения, анализа причин и прогноза последствий чрезвычайных ситуаций, угрожающих безопасности. В настоящее время на руднике используются в основном прямые методы контроля устойчивости конструктивных элементов (бурение до водовмещающих пород, внешний осмотр целиков). Эти методы страдают неточностью и трудоемкостью. Применение геофизических методов позволяет увеличить как точность измерений, так и их производительность. Таким образом, тема работы, связанная с разработкой системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника, является актуальной.

Цель работы - создание системы геофизического мониторинга, обеспечивающей получение информации о строении и состоянии целиков и кровли выработок и их изменениях вследствие ведения горных работ на различных стадиях технологического процесса добычи и в разных временных интервалах в условиях гипсового рудника.

Основные научные положения и их новизна:

- установлено, что средний уровень естественного электромагнитного излучения, регистрируемого в очистных выработках гипсового рудника, монотонно убывает по экспоненте, показатель которой - t/т, где t - текущее время в годах, т = 50 лет;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- количеством измерений, обеспечивающим статистическую стабильность и достоверность результатов;

Практическая ценность работы. Рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, позволят повысить достоверность контроля устойчивости массива пород вокруг выработок, снизить затраты на контроль и тем самым способствовать предотвращению нежелательных проявлений горного давления в зоне подземной добычи гипса.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Набатов, Владимир Вячеславович

4. Для целей длительного мониторинга установлена закономерность

U. вых э изменения уровня ЭМИ, усредненного по длине целика, от его возраста; с увеличением срока службы целика средняя амплитуда сигнала ЭМИ уменьшается; указанная закономерность хорошо описывается экспоненциальной Л зависимостью с параметром 50 лет (коэффициент детерминации R =0,997).

7. Как результат краткосрочного мониторинга получены выражения зависимости колебательной скорости в м/с от расстояния в метрах у = 0,282-х"1'092 (R2 = 0,74) - для кровли, у = 0,2603-х"1'25 (R2 = 0,8) - для стенки. Получены аналогичные зависимости для максимальных напряжений в МПа у=1.58*х "°-643, у=4.99-х "1 024.

8. Получены зависимости вероятности разрушения селенита, позволяющие рассчитать глубину зоны воздействия взрыва на массив горных пород, а также номограмма для расчета минимального допустимого расстояния до взрыва в зависимости от коэффициента структурного ослабления и влажности пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Набатов, Владимир Вячеславович, Москва

1. Усаченко Б. М. Геомеханика подземной добычи гипса.-Киев:Наукова думка, 1985.-216 с.

2. Fairhurst С. Stress estimation in rock: a brief history and review. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 40 (2003), 957-973.

3. An overview of rock stress measurement methods/ C.Ljunggren, Yanting Chang, N. Janson, R. Christiansson. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 40 (2003), 975-989.

4. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. Учебник для вузов. — М.: Недра, 1981, 296 с.

5. Скважинная и шахтная рудная геофизика: Справочник геофизика. В двух книгах/Под редакцией В. В. Бродового. Книга первая.— М.: Недра,1989.—320 с.

6. Шкуратник B.JI. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. — М.: МГИ,1990, 104 с.

7. Вознесенский А. С., Тавостин М. Н., Демчишин Ю. В. Эффект изменения времени затухания акустической эмиссии в состоянии максимального уплотнения каменной соли. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. №1, 2002.-е. 28-34.

8. Тавостин М. Н., Вознесенский А. С., Демчишин Ю. В. Особенности акустической эмиссии на разных стадиях деформирования каменной соли. ГИАБ, №3, 2001.-е. 50-53.

9. Современное состояние и тенденции развития метода акустической эмиссии для контроля деформирования и разрушения горных пород/Ю. В. Демчишин, А. С. Вознесенский, Т. И. Кузнецова, А. М. Солодов/ГИАБ, №8, 2000.-е. 114-119.

10. Повышение достоверности контроля устойчивости кровли за счет сочетания сейсмических и деформационных наблюдений/ А. С. Вознесенский, Г. В. Захарченко, Е. Б. Ажибаев, М. Ж. Сатов // Горный информационно-аналитический бюллетень, №6, 2000.-е. 142-145.

11. Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlastcn / RGR, Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand; Paris;

12. Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer 1997 Bd. 3. Geophysik / Klaus Knodel- 1997.-1063 S.

13. Вознесенский А. С. Горное давление, энтропия, информация. В сб:Науки о земле: Физика и механика геоматериалов: Сб. тр./ Сост. А. В. Лавров.-М.: «Вузовская книга», 2002.-е. 5-47 с.

14. Вознесенский А. С., Захарченко Г. В. Обоснование контроля устойчивости целиков и кровли на рудниках с помощью информационного критерия. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. №2, 2001.-е. 28-36.

15. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. М.: ФГУП ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, 2002, 172 с.

16. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Исследование зон повышенного давления (Ш Д) в углепородных массивах сейсмоакустическим методом// Механика горных пород: Науч. Сообщ./ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского. М., 1999.-выпп.313 -С.39-48.

17. Курленя М. В., Вострецов А. Г., Кулаков Г. И., Яковицкая Г. Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000.

18. Ржевский В. В., Ямщиков В. С., Шкуратник В. JI. и др. Эмиссионные эффекты "памяти" в горных породах // Докл. АН СССР. — 1983. — Т. 273.5.

19. Гохберг М. Б., Гуфельд И. Л., Маренко В. Ф. и др. Исследования возмущений естественных и искусственных электромагнитных полей источниками сейсмического происхождения // Изв. АН СССР. Физика Земли. — 1987. —№2.

20. Гохберг М. Б., Гуфельд И. Л., Линеровский В. А. Электромагнитные предвестники в системе прогноза землетрясений: поиски, проблемы // Вест. АН СССР. — 1987. — № 3.

21. Шкуратник В. Л., Лавров А.В. Теоретическая модель электромагнитного эмиссионного эффекта памяти горных пород // Прикладная механика и техническая физика. — 1996. — Т. 37. — № 6.

22. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. — М.: Недра, 1982.

23. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород/ М. В. Курленя, А. Г. Вострецов, Г. И. Кулаков,Г. Е. Яковицкая.-Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000.-232 с.

24. Викторов В. В., Кулинич Ю. В., Сиротин А. А. Возмущение электрического и магнитного полей при деформировании и разрушении твердых тел/ ИПМ АН СССР. М., 1987. - 56 с.

25. Гохберг М. Б., Мигунов В. А., Похотелов О. А. Сейсмоэлектромагнитные эффекты. М.: Наука, 1989. - 174 с.

26. Воробьев А. А., Завадовская Е. К., Сальников В. Н. Изменение электропроводности и радиоизлучения горных пород и минералов при физико-химических процессах в них// Докл. АН СССР. 1975. -Т. 220, № 1. - С. 82-85.

27. Parzen Е. Stochastic processes. Holden day, inc., 1962. - 218 p.

28. Мирошниченко М. И., Куксенко В. С. Излучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках// ФТТ. 1980.Т. 22, №5.- С. 1531-1533.

29. Напряженное состояние и динамика дислокаций вблизи вершины трещины, меняющей скорость роста / В. М. Финкель, Ю. И. Головин, Б. Ф. Фар-бер и др. // ФТТ 1976.-Т. 18, вып. 10. - С. 3162-3164.

30. Warwic J. W., Stoker С., Meyer Т. R. Radio emission associated with rock fracture: possible application to the great Chilean earthquake of may 22, I960// J. Geophys. Res. 1982. - V. 87, N B4. - P. 2851-2859.

31. Гершензон H. И., Гохберг M. Б., Моргунов В. А., Николаевский В. H. Об источниках электромагнитного излучения, предваряющего сейсмические события// Изв. АН СССР. Физика Земли.- 1987.-№2.-С. 10-16.

32. Гершензон Н. И., Зилпимиани Д. О., Манджгаладзе П. В. и др. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов// Докл. АН СССР. 1986. - Т. 228, № 1. - С. 75-78.

33. А.с. 1086160 СССР. Способ определения напряженного состояния массива горных пород/ В. С. Ямщиков, В. JI. Шкуратник, В. М. Фарафонов и др. Опубл. в Б.И.-1984.-№ 14.

34. А.с. 1740665 СССР. Способ прогноза разрушения массива горных пород/ М. В. Курленя, В. Н. Опарин, Г. Е. Яковицкая. -Опубл. в Б.И. 1992. -№22.

35. А.с. 180026 СССР. Способ контроля состояния массива горных пород/ М. В. Курленя, Г. И. Кулаков, В. Н. Опарин, Г. Е. Яковицкая. Опубл. в Б.И.-1993.-№9.

36. Кулаков Г. И., Бритков Н. А., Кривецкий А. В. и др. Электромагнитное излучение при разрушении изделий из стекла// Стекло и керамика. 1998.-№9.-С. 7-10.

37. Ким В. А. Использование метода ЕЭМИ для региональной оценкинапря-женности неоднородных изверженных пород. В сб.:Геофизические способы контроля напряжений и деформаций. Сб. науч. тр. Отв. ред. М. В. Курленя. Новосибирск:ИГД СО АН СССР, 1985, с. 61-64.

38. Указания по бесконтактным геофизическим методам прогноза степени удароопасности участков угольных пластов и рудных залежей. Л.:ВНИМИ, 1981.

39. Фрид В. И. Контроль напряженного состояния ударо- и выбросоопасных пластов по параметрам электромагнитного излучения. В сб.:Проблемы горной геомеханики при разработке полезных ископаемых: Сборник научных трудов.-Л.:ВНИМИ, 1989, с. 51-54.

40. Вознесенский А. С. Системы контроля геомеханических процессов. :Учебное пособие. М.: Издательство МГГУ, 1994, 147 с.

41. Методические указания по сейсмоакустическим и электромагнитным методам получения критериев удароопасности.- Л.:ВНИМИ, 1986, 32 с.

42. В. Н. Данилов. Особенности интроскопии окрестностей горных выработок методом акустической локации". Известия высших учебных заведений горный журнал, № 9,1989.

43. Руководство по контролю мощности потолочины методами подземной интроскопии горных пород. Рук. Ю. Г. Мясников. Подмосковный научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт. Новомосковск, Тульской обл., 1968.

44. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Георадиолокационные исследования верхней части разреза. Издательство МГУ, 1999.-90 с.

45. Задериголова М. М. Радиоволновой метод в инженерной геологии и гео-экологии.М.:Изд. МГУ, 1998.-319 с.

46. Арш Э. И. Высокочастотный автогенераторный контроль в горном деле. М. :Недра, 1971.-157 с.

47. Шепель С. И. и др. Частотная зависимость электрических свойств пород.-Геоф. сборник, вып. 89. Изд. «Наукова думка», Киев, 1979.-117 с.

48. Ржевский В. В. Новик Г. Я. Физики горных пород. М., 1973.-293 с.

49. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. Изд.е 2-е. М., «Недра», 1976.

50. Druchinin S.V., Izyvunov S.V., "Measured and calculated dielectric permittivity of moist clayey soils", Proceedings of the 6-th Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Bochum, Germany, Sept. 3-7, 2000, pp.P-GR09,2000.

51. Единые правила безопасности при взрывных работах / Редкол.: М. П. Ва-сильчук и др.; Утв. Госгортехнадзорром России 1992 г. — М: НПО ОБТ, 1993, 238 с.

52. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов.—3-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство МГИ, 1992, 516 с

53. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. — М.: Недра, 1999, с.52.

54. Копылов С.В., Казаков Н.Н. Изменение максимальной массовой скорости волны напряжений. Горный информационно-аналитический бюллетень, №1 2004, с.94-96.

55. Менжулин М.Г., Юровских А.В. Влияние естественной и наведенной трещиноватости на взрывное разрушение и предразрушение горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, №1 2004, с.90-94.

56. Сейсмическое действие взрыва в горных породах / А. А. Кузьменкоа, В. Д. Воробьев, И.И. Денисюк, А.А. Дауетас. -М.: Недра, 1990,173 с.

57. Безопасность взрывных работ в промышленности / Под ред. Б. Н. Кутузова. М.: Недра, 1992, 544 с.

58. Вознесенский А.С., Набатов В.В. Оценка трещинообразования в массиве с гипсосодержащими породами методом регистрации электромагнитного излучения. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003, №3, с. 3-12.

59. Вентцель Е. С. Теория вероятностей: Уч. для вузов. М.: «Наука», 1969.576 с.

60. Андрушкович С. Г. К вопросу классификации пород кровли полого падающих пластов Донбасса:Сб. трудов ВНИМИ. Вып. ХХ11.-Л.1958.

61. Чала Дечасса Кебеде. Обоснование параметров непосредственной кровли камер при разработке гипсовых месторождений: Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук по спец. 05.15.02 и 11.00.11. М.Российский университет дружбы народов, 2000.- 178 е.

62. Заключение о сейсмическом воздействии одновременно взрываемых забоев очистной камеры и нижнего уступа транспортной сбойки на кровлю камер. Ленинград: ВНИМИ, 1965.- 30 с.

63. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.:Стройиздат, 1978.-239 с.

64. Ямщиков В. С., Вознесенский А. С. Информационные основы технологического контроля устойчивости горных выработок//ФТПРПИ.-1980.-№6.-с 99-105.

65. НОВОМОСКОВСК» Коновалов Е.Н. 2004 г.1. СПРАВКА

66. Начальник маркшейдерско-геологической службы1. Касаткин И.Б.1. Геолог шахты1. Панчукова JI.B.

Информация о работе

Набатов, Владимир Вячеславович
кандидата технических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.16

Диссертация

Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы