Решение горно-геологических задач на основе изучения неоднородного массива пород с помощью многоволновой сейсмометрии

Воронцов, Игорь Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Решение горно-геологических задач на основе изучения неоднородного массива пород с помощью многоволновой сейсмометрии
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Решение горно-геологических задач на основе изучения неоднородного массива пород с помощью многоволновой сейсмометрии"

^ ц 0 «в®

АКАДЕМИЯ НАУК РФ УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

ВОРОНЦОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

РЕШЕНИЕ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНОГО МАССИВА ПОРОД С ПОМОЩЬЮ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОМЕТРИИ

Специальность: 04.00.12— Геофизические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых

05.15.03 — Открытая разработка

месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Екатеринбург 1998

На правах рукописи

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте но добыче полезных ископаемых открытым способом (НИИОГР)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. А. Силаев доктор технических наук В. М. Аленичев доктор технических наук, А . В . Га л ья нов

Ведущая организация — УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ (УГГГА)

Защита диссертации состоится "-^2."-——1998 г. в часов на

заседании специализированного совета Д. 003.31.01 при ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики Уральского отделения АН РФ по адресу: 620147, Екатеринбург, Амундсена, 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьба направлять ученому секретарю совета.

Автореферат разослан "-" -

1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физ.-мат. наук

10. В. Хачай

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективное использование минеральных ресурсов России - одно из слагающих развития ее экономики. При этом, одна из важнейших задач - снижение себестоимости добычи полезных ископаемых. Оптимальные условия для любой деятельности определяются информированностью об объекте, на который направлено воздействие. Таким объектом в горной области является породный массив. Сведения о строении грунтов, их физико-механических свойствах, также составляют основу при расчетах зданий и сооружений в гражданском и промышленном строительстве. Необходим универсальный и адаптированный в производстве подход к полученш и использованию сведений о строении и свойствах пород, оптимизирующих ведение работ, связанных-с геологическими объектами.

Цель работы: выяснить возможности и разработать методы оперативной оптимизации решения горно-геологических задач на основе исследования состояния неоднородного массива пород в естественном залегании с помощью многоеолновой сейсмометрии.

Задачи исследований

1. Провести и обосновать выбор параметров, наиболее адекватно и технологически ориентированно отражающих состояние горного массива.

2. Показать адекватность отражения на основе данных многоволновой сейсмометрии фактического состояния горного массива пород в естественном залегании.

3. Разработать систему получения и преобразования сейсмической информации в условиях действующих горных предприятий.

4. Разработать способы корректировки на основе данных сейсмометрии технологических параметров на примере буровзрывных работ.

5. Разработать основу прогнозирования по данным сейсмометрии результатов разрушающих воздействий на горный массив на примере БВР.

Основные защищаемые положения

1. Состояние неоднородного массива пород в естественном залегании может быть исследовано с помощью многоволновой сейсмометрии с оперативностью, детальностью и достоверностью, определяемыми горно-геологическими задачами.

2. Разработан метод корректировки параметров буровзрывных работ на основе данных многоеолновой сейсмометрии. Метод включает: методику работ в рамках специализированных геофизических технологий; технические и программные средства; способы корректировки параметров буровзрывных работ на основе данных сейсмометрии.

3. Получены результаты, подтверждающие эффективность корректировки параметров буровзрывных работ на основе данных многоволновой сейсмометрии.

4. Разработан метод прогноза результатов дробления пород взрывом на основе нового уровня детализации состояния горного массива по данным многоволновой сейсмометрии.

Научная новизна

Выяснены возможности, разработаны методы и получены результаты оперативной оптимизации решения горно-геологических задач на основе исследования неоднородного массива пород в естественном залегании с помощью многоволновой сейсмометрии:

- разработаны технические средства и способы их применения, облегчающие использование многоволновой сейсмометрии в зоне максимальных естественных и техногенных изменений горного массива (новизна подтверждена двумя патентами: на устройство и способ);

- разработаны способы корректировки параметров буровзрывных работ на основе данных сейсмометрии (новизна подтверждена двумя патентами);

- обоснован и реализован подход, способствующий внедрению геофизических методов в действующие циклы горных предприятий;

- получено экспериментальное подтверждение возможности

оперативной корректировки параметров буровзрывных работ на основе данных многоволновой сейсмометрии;

- разработан алгоритм управления взрываемостью на базе нового уровня обеспечения информацией о состоянии горного массива.

Практическая ценность работы

1. Разработанные технические средства и способы их применения позволили:

-решить задачу обнаружения конкреционных образований во вскрышной толще угольных разрезов КАТЭК;

- дополнять и уточнять сведения о строении и свойствах объектов исследований при инженерных изысканиях.

2. Предложенный подход к использованию данных сейсмометрии для оптимизации технологических параметров позволил снизить затраты на проведение БВР на ряде горных предприятий.

Реалгаация результатов работы

Все данные, полученные при проведении работ для целей инженерных изысканий, использованы в расчетах проектируемых зданий и сооружений. Предложенный подход к оперативной корректировке технологических параметров на основе данных сейсмометрии применялся на ряде горных предприятий Кузбасса и Урала и позволил снизить энергозатраты при проведении буровзрывных работ. В целях организации названных мероприятий на постоянной основе, объединению "Южный Кузбасс" поставлен комплект аппаратуры, оборудования и программных средств.

Апробация работы

Основные положения и результаты работ обсуждались на Секции открытой разработки месторождений угля и сланца Совета Министерства угольной промышленности СССР (г.Кемерово, 1989 г.), IV Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности СССР(г.Москва, 1989 г.), на областной научно-практической конференции (г.Челябинск,

- б -

1989 г.), с 1990 г. ежегодно на технических совещаниях главных специалистов угольных предприятий Кузбасса: объединений "Куз-бассразрезуголь", "Южный Кузбасс", разрезах "Красногорский", "Ольжерасский", "Листвянский", предприятия "Взрывпром" (г.Челябинск), VI Всероссийском совещании по взрывным работам (г.Междуреченек, 1997 г.), международной конференции "Мельни-ковскиэ чтения" (г.Екатеринбург, 1998 г.).

Испольаованный фактический материал и личный вклад автора

Основой работы являются результаты исследований, проведенных автором в Каменск-Уральском отделении Уральского треста инженерно-строительных изысканий (К-уО УралТИСИЗ), где с применением многоволновой сейсмометрии выполнены исследования на 18 объектах Урала и Сибири; в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте открытых горных работ (НШОГР) по темам: "Разработка методики обнаружения крепких включений", "Совершенствование технологии БВР на к."Новосмолинский", "Мониторинг состояния горного массива при разработке месторождений"; в инновационной фирме "РИВЭТ" по темам: "Детализация геологического строения по линии перехода метрополитена через р. Миасс", "Обнаружение старых горных выработок на Градском прииске", "Разработать комплекс программных и технических средств для автоматизированного определения конструкции заряда".

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 152 страницы машинописного текста, 21 рисунок, 4 таблицу. Список использованной литературы включает 70 наименований.

Содержание работы

Введение Во введении отмечается, что эффективность применения техники и технологий при добыче полезных ископаемых во многом определяется информированностью о свойствах горного массива. В настоящее время отсутствует налаженный и адаптированный в горном производстве механизм получения опережающих и

достаточных для корректировки технологических параметров сведении о строении и свойствах пород в области их максимальных техногенных и естественных изменений. Совокупность потенциальных возможностей многоволновой сейсмометрии может составить основу метода приведения технологических параметров добычи в соответствие с состоянием разрушаемого массива горных пород.

Глава 1. Исходная информация о массиве пород, получаемая

на основе данных сейсмометрии

В первой главе обсуждаются возможности многоволновой сейсмометрии при изучении строения и свойств верхней части горного массива. Отмечено, что процессы разрушения неоднородного горного массива до сих пор не поддаются объяснению, которое бы стабильно подтверждалось производственной практикой. Основная причина - в недостатке информации о строении и свойствах массива при выборе параметров разрушения. Существующие способы - бурение, отбор проб и их испытание для определения физико-механических свойств, визуальные методы изучения трещи-новатости в отдельности не удовлетворяют комплексу требований к оперативности, представительности и полноте характеристик неоднородного горного массива. Недостаток сведений приводит к тому, что, например, параметры буровзрывных работ устанавливаются, преимущественно, на основе обобщения опыта предшествующих работ. Это заставляет завышать энергозатраты из опасения встретить неблагоприятные для взрывания пород условия. Завышается необходимый удельный расход взрывчатых веществ, уменьшаются расстояния между взрывными скважинами.

Решить проблему обеспечения горного производства необходимой информацией о свойствах массива пород позволяет применение геофизических методов. Эффективность их применения зависит от соответствия требованиям к предоставляемой информации. Во-первых, это - количественная конкретность и завершенность сведений, которые должны быть оформлены в виде рекомендаций по выбору и корректировке технологических параметров. Во-вторых, получение информации, ее обработка и выдача рекомендаций должны проводиться в строго определенных временных рамках. Поэтому, геофизические методы целесообразно применять в рамках спе-

циализированных технологий, выполняющих определенную функцию и имеющих технологическую нишу в современном горном производстве. Технология определяет исходные условия и жесткие рамки проведения эксперимента, что ведет к стабильности результатов, приемлемой для производственных условий. Сейсмометрия в многоволновом варианте, т.е. использующая различные типы волн, наиболее эффективна при изучении состояния массива, т.е. как сто-ения, так и физико-механических свойств пород.

Выбор информативного параметра или характеристики физического поля, в изменениях которой заключена информация о массиве, должен осуществляться в соответствии с комплексом требований : 1. Возможность решения технической задачи. 2. Полнота и адекватность отражения свойств массива пород. 3. Минимальное искажение помехами при работе на действующем горном предприятии. 4. Минимальная технологическая сложность использования параметра. 5. Минимальные затраты времени и средств.

Для изучения состояния верхней части горного массива по совокупности факторов эффективно применение многоволновой сейсмометрии с преимущественным использованием поперечных волн (З-волн). Разрешающая способность поперечных волн выше, особенно при исследовании дисперсных и трещиноватых скальных пород. Связь параметров З-волн с факторами, влияющими на изменение прочностных свойств, более однозначна, чем продольных (Р-волн). Применение поперечных волн дает возможность варьировать их типы. В сложных сейсмо-геологических условиях предпочтительнее использовать горизонтально-поляризованные поперечные волны (5Н-волны), являющиеся простейшим видом волнового движения. Только этот тип волн, при исследованиях с поверхности Земли, позволяет применять селекцию волн по признаку поляризации в источнике, что еще более упрощает волновое поле, снижая уровень помех. Совместное использование горизонтально- и вертикально-поляризованных поперечных волн, позволяет изучать анизотропию свойств массива, вызванную его "тонкой" структурой. Перечисленные преимущества 5-волн на практике оказываются очень значимыми, особенно при изучении малых по размерам объектов. Совместное использование Р- и Б-волн позволяет выделить и идентифицировать максимальное число границ раздела сред, изучать статические поля напряжений, возникающих в массиве по-

род, например, при разгрузке от горного давления.

Требуемая совокупность характеристик горного массива может быть получена, прежде всего, с использованием кинематических параметров - скоростей волн. В соответствии с названными требованиями к информативным параметрам, применение динамических характеристик должно быть обосновано, вследствие методических сложностей их использования. Изменения динамических параметров могут быть связаны с трансформацией поля колебаний внутри массива пород, вблизи поверхности Земли и на контакте поверхность грунта - сепсмодзтчик. При их использовании, первое, что потребуется - разделить влияние названых изменений. Необходимость использования динамических параметров волн может возникнуть, прежде всего, при изучении малых по размерам участков массива пород с особыми свойствами - локальных неод-нородностей (ЛН). Скорость волн характеризует упругие свойства среды. С помощью пары скоростей продольных (Ур) и поперечных (У3) волн можно определить любые другие упругие постоянные. Поэтому, если при изучении строения массива пород можно использовать только динамические параметры, то при изучении показателей физико-механических свойств минимально необходимо знание скоростей волн.

Плотный, нетрещиноватый скальный массив может рассматриваться как упругая среда. Поведение такого массива' под действием деформирующих напряжений может быть достаточно однозначно охарактеризовано на основе анализа скоростей волн. Это подтверждает сравнение модулей упругости, определяемых динамическим и статическим методами. При испытании сохранных массивов модули совпадают . Таким образом, сохранные участки массива можно использовать для связи различных по величине и скорости приложения сил воздействий на массив, например, данных сейсмометрии и данных лабораторных испытаний образцов на сопротивление однойсному сжатию. Нарушение сплошности скального массива находит отражение в величине скорости волн. т.к. в многофазной среде величина скорости определяется соотношением объемов фаз и их свойствами. Чтобы однозначно оценить состояние нарушенного массива пород по сейсмическим данным, целесообразно использовать наблюденные параметры, преобразованные в удобную форму с минимальными искажениями, например, сопротив-

ление пород одноосному сжатию (бСж), пропорциональное квадрату скорости поперечных волн. Изменение параметра будет качественно отражать изменение состояния массива. Количественная связь может быть получена путем последовательных приближений. Для этого необходимо определить границы изменения параметра (здесь беж) по данным лабораторных испытаний на образцах для исследуемых литотипов пород. В том случае, если скорости сейсмических волн, измеренные в массиве, составляют 80-100 7. от максимальной скорости для данного литотипа пород, этим участкам будут соответствовать максимальные значения 6Сж . определенные на образцах. Так определяется верхний предел изменения бсж. Если он отличается от максимальных значений бс.ж , полученных в результате расчетов с использованием скоростей волн, вводится первый поправочный коэффициент. Минимальные рассчитанные значения беж должны находиться в интервале от минимальных значений, определенных при испытаниях на образцах, до 5 МПа. Нижний предел соответствует переходу от скального массива к полускальному, т.е., дезинтегрированному. Увязка должна производиться по нескольким профилям. Нарушенным участкам будут соответствовать значения бСж , меньшие минимальных значений, полученных при испытаниях на образцах. Эта граница принципиально важна, так как отделяет трещиноватые, нарушенные породы от относительно монолитных. Одновременно, детализируется строение массива, причем новыми границами раздела, нередко, являются не контакты между литологическими разновидностями пород, а поверхности участков пород различной нарушенности. Этот тип представления информации более технологически ориентирован, чем геологический разрез, так как здесь отражена только та информация, которая необходима для расчета параметров разрушающих воздействий. Предложенный подход к связи сейсмических параметров о показателями физико-механических свойств в естественном залегании пород неоднократно применялся при корректировке параметров буровзрывных работ (см. гл.З).

Выше были рассмотрены сейсмические параметры в свете первых четырех требований при решении технических задач, имеющих место в горном производстве. Пятое требование: минимальные затраты времени и средств при определении и использовании параметра - определяют технологическую нишу нового метода изуче-

ния состояния массива в горном производстве. Для полноты решения технической задачи изучения строения и свойств массива следовало бы привлекать целый ряд модификаций сейсмометрии и, одновременно, использовать группу параметров. Фактически, чтобы соответствовать последнему требованию, приходится использовать одну модификацию метода и ЕЫбирать один информативный параметр: метод преломленных волн(МПВ) - Vp, МПВ - Vs, вертикальное сейсмическое профилирование(ВСП) - Vs, межскважинное просвечивание (МП) - амплитуды поперечных волн и т.д. Такие ограничения нередко означают потерю части потенциальных возможностей метода, с другой стороны, позволяют сформировать геофизическую технологию, отвечающую запроса!,i производства.

Разрешающая способность определяет рамки реальных возможностей сейсмических методов при анализе состояния горного массива. Примеры применения многоволновой сейсмометрии показывают, что разрешающая способность практически не ограничивает ее возможности при решении широкого ряда технических задач.

Так, по линии строящегося в г. Челябинске метрополитена через р.Миасс, проведены работы MOB с поверхности воды с целью детализации геологического строения. Выделенные оси синфазнос-ти связаны, преимущественно, с отражениями от трещин в скальном массиве. Это подтверждает сопоставление с данными бурения. Сопоставлялись число выделенных отражений N с показателем тре-щиноватости RQD. Отмечена устойчивая обратная зависимость N и RQD, которая подтверждает связь выделенных осей синфазности с волнами, отраженными от трещин.

Трещины или зоны трещин имеют относительно малую мощность, однако - большие площадь и контраст свойств на границе скелета породы и заполнителя. Два последних фактора способствуют их выявлен™ по данным сейсмометрии. Рациональный выбор информативного параметра, технических средств и способов обработки материалов позволяет уверенно выявлять объекты, размеры которых по сравнению с первой зоной Френеля малы как по вертикали, так и по площади. Пример изучения таких объектов - выявление старых горных выработок на Градском прииске близ г.Челябинска. Выработки были пройдены в элювиальных суглинках до скальных пород на глубине 9-15 м. Их первоначальное сечение: 1x1 м и 1.5x1.5 м. Заполнитель - воздух, вода или насыпной ма-

териал. Аномалии от объектов были получены при использовании горизонтально-поляризованных поперечных волн. При этом, средняя длина волны составляла 6 м. Аномалии - зоны интерференции преломленных и диффрагированных SH-волн были проверены бурением, в 80 % случаев подтвердившим наличие выработок. Приведенный пример - не предел возможностей сейсмометрии. Уже отмечалось, что совместное использование SV- и SH-волн позволяет изучать анизотропию массива, связанную с "тонкой" структурой грунта - ориентацией частиц, характером их связей. Был проведен следующий эксперимент. В скважинах, пробуренных в суглинках, проводились работы ВСП и №. Было отмечено, что разрез слабо дифференцирован по скоростям поперечных волн. При этом, отличие в величинах скоростей SV- и SH-волн достигало 1.2.

Максимальная разрешающая способность может быть получена при использовании скважинных методов, т.к. появляется возможность приблизиться к объекту исследования. Пример, подтверждающий высокую разрешающую способность скважинной сейсмометрии -специально разработанная автором диссертации технология обнаружения конкреционных образований (КО) во вскрышной толще угольных разрезов КАТЭК . Техническая задача решалась для целей обеспечения бесперебойной работы роторной техники при вскрышных работах. Конкреционные образования по прочности превосходят предел разрушения пород роторным экскаватором, могут Еызвать его остановку и даже поломку. Первоначально, для обнаружения КО бурились скважины по сети 4x4 м и даже 2x2 м. Геофизические методы были призваны расширить сеть бурения и при этом исключить пропуск конкреций, допускаемый при бурении. Сложность решения данной технической задачи определялась исходными условиями: 1. Минимальные размеры КО, которые должны были быть обнаружены - 1.5x1.5x0.2 м; 2. Разрез многослойный: чередование алевролитов и песчаников. Конкреции находятся в пределах последних, залегающих в несколько этажей; 3. Вмещающие КО породы обладают высокими диссипативными свойствами. Для решения технической задачи была разработана технология, использующая комплекс методов - ВСП и МП на поперечных волнах, специальные технические средства. Интервалы пересечения скважин с песчаниками, содержащими КО выявлялись по данным ВСП. Это позволяло размешать источник колебаний и приемное устройс-

тво таким образом, чтобы углы падения волн на КО превышали критические. Это, а также использование типа 5-волн, поляризованных в плоскости КО, позволило уверенно выделить аномалии, связанные с данными объектами, которые в 85-100 % случаев были подтверждены бурением. Метод просвечивания и скважинный источник сейсмических колебаний признаны изобретениями.

Получен ряд корреляционных уравнений, связывающих скорости сейсмических волн с показателями физико-механических свойств'скальных и дисперсных грунтов. Использование показателей физико-механических свойств объясняется их исключительным традиционным применением при расчете технологических параметров, а не особой достоверностью отражения свойств массива. Исследования на образцах нередко определяют условный характер искомых характеристик, либо значительные погрешности: сопротивление пород одноосному сжатию и растяжению - вследствие условий эксперимента, плотность - закрытой пористости. Сопротивление пород одноосному сжатию определяют раздавливанием образцов пород в условиях свободного бокового расширения. Расчет бсж производится на основе предположения об однородном напряженном состоянии образца, которое в действительности, является существенно неоднородным. Поэтому, получаемое значение бсж представляет условную характеристику грунта, зависящую от многих факторов: условий испытания и структуры образца, физико-химического влияния среды . В совокупности, это приводит к большим вариациям получаемых результатов. Для бСж нормативным источником (СНиП) предусмотрен один из максимальных коэффициентов вариации - 0.3. Это предполагает соответствующий разброс значений в парной корреляции с сейсмическими параметрами и невысокие значения коэффициентов корреляции. В табл. 1, строка 1 коэффициент корреляции бсж и Ур составляет 0.7. Рассмотрим два взаимосвязанных показателя: объемный вес и пористость. При низкой пористости, связь скорости сейсмических волн с плотностью или объемным весом, по сравнен™ с другими показателями физико-механических свойств, - наиболее однозначна. В лабораторных условиях, на образцах пород, объемный вес определяют также сравнительно однозначно. Для этих определений допускается один из минимальных коэффициентов вариации - 0.05. Это может объяснять большую тесноту корреляционных связей между объ-

емным весом и скоростью, особенно поперечных волн, распространяющихся по скелету породы. В табл.1 строка 2 коэффициент корреляции связи между названными параметрами равен 0.93. Учет влияния пористости как на показатели физико-механических свойств, так и сейсмические параметры, затруднен. Это связано со следующим. Различают пористость открытую и закрытую. Закры-

Таблица 1

Корреляционные уравнения, связывающие сейсмические и физико-механические характеристики скальных грунтов.

|1 |6Сж=(1-17-10~3Ур1-3+ 23), I МПа 1 10.70 1 1 59 (24С беж <105) МПа | (1340< V» <3900)м/с |

12 |р =(9.23-Ю"2 У3°'4+ 0.52), 1 МПа 1 |0.93 1 1 20 (1.58< р <3.11)г/см3| (570< У3 <4250)м/с |

тую пористость, или суммарный объем пор, изолированных друг от друга и от атмосферы, учесть при испытаниях образцов пород значительно сложнее, чем открытую пористость. Это может определять существенные погрешности при изучении общей пористости и большие вариации ее значений, что, в свою очередь, определит уменьшение тесноты связей со скоростью продольных волн, распространяющихся, в том числе, и в заполнителе пор. При низкой пористости (п < 15 %) __ как Ур, так и объемный вес определяются, преимущественно, минеральным составом скелета породы. При больших значениях п, Ур и р существенно зависят от пористости

и свойств заполнителя пор. Совокупность приведенных фактов определяет результат: получены два уравнения корреляционной связи Ур и р , при этом, коэффициенты корреляции равны 0.74 и 0.84, что ниже, чем для У5 и р.

Корреляционные уравнения, приведенные в Табл.1 отражают возможность определять показатели физико-механических свойств образцов по замерам скоростей волн, опять же на образцах. Для перехода от образцов к массиву пород, предварительно следует дифференцировать последний. Поведение плотного, нетрещиноватого скального массива при воздействии разрушающих нагрузок может достаточно однозначно прогнозироваться по результатам испытания образцов пород. В результате химического и физического выветривания первоначальные структура и свойства массива изменяются. Системы трещин делят массив на блоки, минимальные из которых имеют только микротрещины. На изменненых участках массива сопоставление данных сейсмометрии и данных лабораторных испытаний на образцах невозможно. Сопротивление нарушенного массива деформирующим напряжениям преимущественно определяется трещиноватостью. Массив уже не деформируется как единое целое. Его сопротивление сжатию или сдвигу будет зависеть от наличия и размеров межтрещинных целиков , свойств заполнителя трещин, шероховатости их берегов. В таком массиве важно положение точки приложения деформирующей нагрузки. Если воздействие осуществляется в центре сохранного блока , то до его разрушения сопротивление определяется, как и в ненарушенном массиве, прочностью межкристаллических или межзерновых связей и микротрещинами. При разрушении блока, смещение его частей не будет ограничено всесторонним сжатием, как в монолитном массиве. Трещины определяют свободу смещения. Воздействие в трещинном пространстве между блоками приведет прежде к деформации заполнителя трещин и неровностей поверхностей блоков при их трении. Если смещение блоков не ограничено, а сила трения не превышает силу связей структурных элементов блока, его деформационные и прочностные свойства в этом процессе малосущественны. Таким образом, нарушенность массива макротрещинами принципиально меняет характер его сопротивления разрушающим воздействиям. ■ Это определяет скачкообразное изменение свойств при переходе от сохранных участков массива к нарушенным. Поэтому данные сейс-

мометрии нередко являются единтственной непрерывной характеристикой массива пород в зоне его естественных и техногенных нарушений.

Глава 2. Технические и программные средства для получения

сейсмических параметров

Во второй главе приводится описание: 1. Методики геофизических работ при изучении состояния верхней части горного мае-' сива. В частности, для целей буровзрывных работ. 2. Первичной обработки данных. 3. Применяемых аппаратуры и оборудования.

Технические и программные средства и приемы их использования выбирались или разрабатывались в соответствии с концепцией специализированных геофизических технологий. Основными считались три положения: а) минимальная достаточность для решения технической задачи; б) максимальные простота получения и использования геофизической информации; в) стабильность результатов.

При решении технической задачи изучения состояния массива пород, всегда можно выделить стадии. Например, для целей буровзрывных работ - две стадии. На первой - необходимо оценить общее состояние подготавливаемого к взрыву массива, как правило, на всю глубину уступа. В том случае, если состояние массива изменяется в плане, необходимо разделить участки различной нарушенности, т.е. районировать блок. На второй стадии требуется более детальное исследование массива и, прежде всего, оценка изменений свойств по вертикали.

На первой стадии целесообразно использование МПВ. Система наблюдений в МПВ определяется, в данном случае, глубинностью исследования и сложностью наблюдаемых волновых полей. Альтернативой МПВ нз первом этапе могут быть скважинные исследования по разреженной сети.

На второй стадии применяются скважинные методы: ВСП и МП. ВСП - наиболее часто. Исследования выполняются в взрывных скважинах. На этой стадии важно правильно выбрать сеть исследования, т.к. время на геофизические работы ограничено. Цель геофизических работ - выявить участки пород, существенно отличающиеся по свойствам от фоновых, т.к. они могут оказать зна-

чимое влияние на процесс детонации ВВ и трансформацию выделившейся энергии. В том случае, если разрез характеризуется наличием небольших по размерам и существенно не выделяющихся по скорости участков , производится уточненная оценка средней скорости в интервале исследуемых глубин. Сеть наблюдения может быть максимально расширена: через 2-3 взрывных интервала (расстояния между скважинами). В тех случаях, когда наблюдаются зоны, один или два размера которых преобладают, а свойсва резко отличаются от фоновых, сеть наблюдений должна соответствовать размерам таких зон. Обычно наблюдения в таких случаях выполняются через 1-2 интервала. Наиболее часто применяемая система наблюдений: сейсмодатчики в скважине, источник колебаний в 0.5-Ю.7 м от ее устья. Удаление источника колебаний на большие расстояния нецелесообразно.

Подход к выбору способов интерпретации также определяют названные выше особенности. Вследствие сложности волновых полей, основное внимание должно уделяться устойчивости алгоритмов интерпретации к различного рода помехам. На первом этапе основная задача - с наименьшими погрешностями оценить среднюю скорость (УСр) в интервале исследуемых глубин . Расчленение массива по вертикали не должно выполняться в ущерб надежности определения Уср. Применялся способ аппроксимации наблюденных годографов отрезками теоретических. Для случаев, когда наблюдаются относительно простые волновые поля, разработана программная реализация способа автоматической корелляции волн на основе модифицированного алгоритма Эрвина .

Входной сигнал сейсморазведочного канала определяют источник колебаний и приемное устройство. Для эффективного возбуждения поперечных волн, использовались специально разработанные излучатели сложной формы . Важная их деталь - клиновидные грунтозацепы-излучатели . Клиновидная форма обеспечивает их постоянный контакт с породой при многократном возбуждении сигнала. Наибольшей чистотой П5=15+ 20, т.е. соотношением амплитуд колебаний с заданной поляризацией к амплитуде продольной волны, обладают излучатели осесимметричного типа. Излучатель в виде плуга характеризуется более низкими Пб<6. В отличии от осесимметричных источников вращения, его необходимо ориентировать параллельно оси максимальной чувствительности сейсмодзт-

чиков. Тем не менее, такой источник эффективен на поверхности крупнообломочных скальных пород, где трудно добиваться надежного контакта грунтоэацепов.

Для исследования глубин более 100 м на поперечных волнах разработан источник, активным элементом которого является мо-ментный двигатель серии ДБМ. Конструкция источника позволяет работать в импульсном, кодоимпульсном и вибрационном режимах.

Для межскважинного просвечивания разработан универсальный источник колебаний, в котором в качестве излучающих элементов используются электромагнитные устройства . Источник снабжен прижимным устройством и может использоваться как в водонапол-ненных, так и сухих скважинах. Колебаний возбуждаюся электромагнитами , расположенными на рычажных парах . Такая конструкция позволяет: 1) Осуществлять асесимметричные воздействия, что исключает необходимость ориентировать источник относительно приемного устройства; 2) Изменять направление действия электромагнитов. При их горизонтальном расположении, излучаются ЗН-волны, при вертикальном - Р- и ЗУ-волны; 3) Сочетанием рычагов и пневматической пары обеспечивается надежное прижатие электромагнитов-излучателей к стенке скважины; 4) Внешним расположением электромагнитов, их нежестким креплением к рычажным парам достигается минимальная инерция источника. При возбуждении его импульсами напряжения длительностью 0.5-7 мс, в грунте формируются импульсы длительностью 0.7-10 мс без существенных потерь энергии. Это позволяет излучать колебания поперечных волн с частотами до 1500 Гц. В наиболее неблагоприятных условиях, т.е. при возбуждении колебаний в водонасыщенных дисперсных или трещиноватых скальных грунтах, видимая частота регистрируемых на расстоянии 10-12 м поперечных волн составляет 150-250 Гц.

Для подавления электромагнитных помех, наводимых на соединительных проводах наземных приемных устройств разработаны и изготовлены малогабаритные предварительные усилители на каждый канал. Подавление помех не менее 20 дБ.

К скважинным приемным устройствам предъявляется ряд требований: управляемый с поверхности прижим геофонов к стенке скважины, многоканальность, обеспечение одинаковой азимутальной ориентировки сейсмодатчиков, минимизация искажений сигна-

ла. В течение ряда лет разработаны и прошли испытания различные конструкции скважинных приемных устройств. Первым применялось устройство, состоящее из отрезков кордовой ленты, соединенных двенадцатью алюминиевыми пластинами. На пластинах, с помощью хомутов, были закреплены по два ортогонально расположенных в плоскости пластины сейсмодатчика. Прижатие пластин с датчиками к стенке скважины выполнялось с помощью последовательно соединенных пневмокамер в чехлах. Устройство применялось для регистрации колебаний Р- и З-еолн в диапазоне частот 70+150 Гц. При расширении диапазона частот регистрируемых колебаний, исследовании динамических параметров конструкция видоизменялась. Появилась контактная пластина , более жесткие хомуты. Собственный резонанс конструкции возникает на частотах более 600 Гц. Вследствие большой контактной поверхности - 60 см2 - преимущества устройства особенно очевидны при регистрации колебаний в слабых дисперсных или сильнотрещиноватых скальных грунтах. Следующий шаг в разработке был сделан с переходом к геофона)/! с прижимными устройствами в виде горизонтальных пневмоцилиндров. В передней части пневмоцилиндра, расширенной для увеличения контактной поверхности, расположено крепление для сейсмодатчиков, которое имеет три взаимно перпендикулярных отверстия с резьбой под выступы на корпусах серийных сейсмодатчиков. Так как сейсмодатчики жестко соединены с пневмоцилиндром, а точка крепления максимально приближена к стенке скважины (15 мм), резонансные явления в системе возникают на частотах свыше 1000 Гц. Это позволяет регистрировать высокочастотные колебания с минимальными искажениями. Поршень пневмоцилиндра имеет раздвижной шток, что позволяет использовать устройство для приема колебаний в скважинах диаметром от 110 до 250 мм. Сила прижатия геофонов к стенке скважины может меняться в широких пределах и контролироваться по устанавливаемому давлению: 2 атм - 20 кг и т.д. Трубчатая конструкция препятствует азимутальным отклонениям геофонов от заданного направления. Устройство применялось в течение ряда лет в разнообразных условиях: в сухих скважинах, в заполненных водой и буровым раствором. Вследствие названных особенностей, устройство позволяет добиваться минимальных искажений сигнала при приеме . Это дает основание рекомендовать такую конструкцию

при наблюдении, в том чиоле, и динамических параметров волн в расширенном диапазоне частот. Для широкого применения было разработано приемное устройство с облегченной полужесткой конструкцией, состоящей преимущественно из пластических масс. Горизонтальные пневмоцилиндры (из пластмассы) применены в сочетании с парой рычагов. Геофоны соединены в полужесткую конструкцию отрезками пластиковых труб . Конструкция легка: 12-ка-нальное устройство в сборе весит менее 10 кг, складывается в транспортировочный чехол 1000x500x200 мм, проста в изготовлении и недорога, так как применены дешевые материалы. Устройство предназначено, в основном, для измерения кинематических параметров волн в диапазоне частот до 400 Гц в скважинах диаметром до 300 мм.

Для регистрации колебаний применялись цифровые накопительные станции: ИСН-01-24 (Венгрия), СНЦ-3 и "Талгар-б" (Каз-геофизприбор). По сочетанию характеристик: количество каналов, энергопотребление на канал, динамический диапазон, вес прибора, стоимость изготовления - сейсмостанция "Талгар-6", с некоторой доработкой, могла бы быть временно принята как базовая модель для широкого применения. Основной недостаток модификации "Талгар-8" до 1992 г. - отсутствие удобного долговременного носителя информации. На станции серийного производства был установлен электрографический регистратор. Это - энергоемкое и ненадежное устройство. Первоначально нами (автор и сотрудник НИИ0ГР Жуковский А.А) в дополнение к электрографическому регистратору был установлен накопитель на магнитной компакт-кассете, разработанный фирмой "Микроэл" (г. Екатеринбург). Накопитель позволяет вводить информацию в ЭВМ через последовательный порт. Следующим шагом была замена двух названных регистраторов одним - на стандартных дискетах 3.5". Для этого был использован стандартный дисковод, а для связи с процессором сейсмостанции, изготовлен контроллер. Испытания показали, что оба носителя информации ( на компакт-кассетах и на дискетах 3.5") достаточно удобны, чтобы использовать их и впредь.

При полевых работах МПВ было отмечено, что 10-15 % времени уходит на перекладку линии возбуждения сейсмостанции. Чтобы исключить потери, было разработано устройство возбуждения сейсмостанции по радиоканалу. Устройство имеет генератор и

приемник. Генератор подключается к отметчику момента вобужде-ния колебаний. Чаще это - сейсмодатчик. Приемное устройство соединяется о разъемом отметки момента на сейсмостанции. Сигнал защищен от помех кодированием. Расстояние уверенного приема в условиях промышленных помех 300 м.

Все технические средства: источники колебаний, приемные устройства, регистрирующая аппаратура - работоспособны и многократно испытаны в различных условиях. Степень разработки и технологичность не препятствуют их производству в любом необходимом количестве.

Глава 3. Связь сейсмических и технологических параметров.

В третьей главе отмечена связь особенностей изменения сейсмических параметров с результатами разрушения пород взрываем. Рассмотрены возможности и результаты корректировки параметров БВР на основе данных сейсмометрии.

Связь сейсмических и технологических параметров можно установить: а) прямой корреляцией; б) косвенной корреляцией через промежуточные параметры; в) прямым расчетом технологических параметров на основе массива сейсмических данных.

Прямая корреляция использовалась для выявления связи особенностей изменения сейсмических параметров в подготавливаемом к взрыву блоке пород с результатами взрыва. Для этого привлекались данные ВСП на поперечных волнах, как наиболее адекватные для отражения изменений состояния массива. Наблюденные пространственные распределения скоростей можно сгруппировать следующим образом:

1. Равномерное распределение в объеме блока пород изомет-ричных зон повышенных и пониженных скоростей, крайние величины которых различаются незначительно, всреднем, в 2-3 раза.

2. Чередование по вертикали протяженных пластообразных зон повышенных и пониженных скоростей, различающихся по величинам в 4 раза и более.

Первой группе соответствуют случаи относительно равномерного дробления. При этом, участкам концентрации наиболее крупных зон повышенных скоростей, пространственно соответствуют развалы наиболее крупных обломков. Со второй группой связаны

случаи наименее удачного дробления, большой выход некондиционных кусков породы (негабаритов). Сопоставление подтверждает возможность выявления по сейсмическим данным особенностей массива, определяющих процесс взрывного разрушения пород.

Величины скоростей сейсмических волн связаны с показателями физико-механических свойств (см.табл 1). С другой стороны, большой практический опыт оформлен в корелляционных связях показателей физико-механических свойств пород с параметрами БВР. Известна следующая зависимость удельного расхода вв (ч) от параметра, характеризующего прочностные свойства пород:

Ч - Га1/4 , (1)

где Гп - коэффициент М.М.Протодьяконова, =0.1 бСж (МПа). С учетом этого, был сделан вывод, что оптшизировать результат взрывного дробления пород можно, увеличивая объемную концентрацию энергии ВВ в пределах выявленных по данным сейсмометрии зон максимальных значений У3 и рзсчитанных, затем, бсж=Г(У3). Справедливость вывода была подтверждена опытным массовым взрывом.

На карьерах для исходных расчетов я используют имеющиеся сведения ори бСж, которые характеризуют горизонт или участок карьерного поля всреднем. С накоплением опыта массовых взрывов в конкретных физико-технических условиях, принимает некоторое среднеоптимальное значение Такое значение ориентировано на сочетание свойств пород, неблагоприятное для достижения планируемых показателей дробления, т.е. всегда является завышенным. Корректировка величины д должна быть обоснована сведениями об отклонении свойств взрываемого массива от средних, которым соответствует данное среднеоптимальное значение удельного расхода ВВ. Было предложено корректировать ч, используя два показателя свойств - сопротивление пород одноосному сжатию и объемную плотность, определяемые в естественном залегании пород. Корректировка достигается тем, что по замерам сейсмических параметров в исследуемом блоке определяем названные физико-механические характеристики пород и находим отношение полученных величин к исходным. Исходными величинами считаем средние, наиболее вероятные значения р и бс.ж Для горнодобываю-

щего предприятия и данного типа пород . Таким образом, находим коэффициенты отклонения свойств пород на исследуемом блоке от средних значений. Эти коэффициенты применяем к qc:

Чф = Qck = ас(бсж.р/бсж.н)1/4 -рр/ри, (2)

где - откорректированное значение удельного расхода ВВ, кг/м3, бСж.р, рр - расчитанные с использованием наблюденных сейсмических параметров; бсж.н, ри ~ исходные значения.

Предложенный автором диссертации подход к увеличению объемной концентрации ВВ и корректировке удельного расхода ВВ определяет принципиальную возможность регулярной и оперативной корректировки основных параметров БВР в соответствии с состоянием взрываемого массива.

Для сравнения рассмотрим зарубежный и отечественный аналоги. В COTA параметры взрывной отбойки выбирают на основе лабораторных и полигонных исследований и корректируют в процессе выполнения промышленных взрывов. Таким образом, при выборе сети взрывных скважин, длины перебура не учитываются индивидуальные особенности взрываемых блоков. Рассредоточение заряда ВВ выполняют по параметрам бурения. Недостатки такого способа получения сведений о массиве известны: сложность тестирования трещиноватых пород, невозможность получения информации о массиве вокруг скважины, нелинейность изменения параметров бурения относительно вариаций свойств пород.

Отечественный аналог: сейсмический способ оперативного картирования взрываемых блоков по крепости и трещиноватости, разработанный О.П.Якобашвили. Громоздкая методика работ делает способ неоперативным. Использование только продольных волн снижает достоверность сведений. Автор сам отметил:"... строгих количественных рекомендаций по коррекции параметров БВР в зависимости от результатов картирования взрываемого блока выдать не представляется возможным".

Практическое использование сейсмических данных для корректировки технологических параметров возможно только с привлечением пакета программных процедур, работающих в полуавтоматическом и автоматическом режимах. Пакет содержит программы: а) ввода сейсмических данных с носителя информации сейсмостан-

ции в ЭВМ; б) ручной и автоматической корреляции сейсмических волн; в) интерпретации; г) расчета параметров БВР. Программа расчета параметров БВР выполняет преобразование двух- или трехмерного массива сейсмических параметров и производит расчет: удельного расхода ВВ, конструкции заряда, расстояния между взрывными скважинами, времени замедления, длины перебура в автоматическом режиме. Название программы qpar.exe. Она имеет разветвленную структуру и позволяет работать с данными МПВ или ВСП, использовать поперечные или продольные волны. Данные МПВ - результат обработки систем встречных годографов головных волн путем их автоматической аппроксимации теоретическими го-дографамии. Результатом обработки является скоростной разрез, соответствующий расстановке сейсмодатчиков. В программе qpar.exe скоростные разрезы методом интерполяции объединяются в пределах профиля или трехмерного блока, характеризуемого двумя или более профилями. Данные ВСП - в виде продольных вертикальных годографов. Программа производит их сглаживание и вычисляет скорости волн. Вычисленные скорости волн интерполируются между соседними вертикальными профилями наблюдения (скважинами) в пределах профиля или трехмерного блока. В соответствии с типом волн: S или Р, применяются корреляционные уравнения для расчета бсж и р, а также изменяется подход к выбору времени замедления.

В программе qpar.exe предусмотрена подпрограмма разделения блока на подблоки, в пределах которых q изменяется не более чем на Aq. При выборе Aq исходят из минимальных изменений параметров БВР, связанных с q, которые целесообразно учитывать, меняя технологию работ. Виды ВВ могут быть заданы исходно, или рекомендованы программой. Автоматически выбор ВВ осуществляется в соответствии с таблицей коэффициентов работоспособности ВВ при взрывании различных групп грунтов по СНиП. Выбирается ВВ с минимальным коэффициентом. При этом, для использования ниже уровня грунтовых вод рассматриваются только водостойкие виды взрывчатых веществ. Величина q® рассчитывается для каждого слоя (МПВ) или интервала наблюдения (ВСП), затем осредняется в пределах блока или подблоков. Величины q<j, соответствующие нижним слоям или интервалам, используются для расчета длины перебура . Время замедления между последовательно

взрываемыми скважинами или рядами скважин приведено в соответствие с скоростью роста трещин, которая, в свою очередь, связана со скоростью сейсмических волн в взрываемом массиве пород . Подпрограмма выбора конструкции заряда в соответствии со строением взрываемого массива автоматически располагает интервалы ВВ и инициаторы . В результате работы подпрограммы, сформированные интервалы БВ соответствуют по высоте участкам прочных пород, пересекаемых скважинами . Положение инициаторов соответствует центрам прочных участков пород, обеспечивая воздействие на них максимального давления.

Изложенный подход к выберу и корректировке параметров БВР, до и после оформления в виде программного продукта, применялся с 1990 г. на карьере "Новосмолинский" (Челябинск), угольных разрезах "Красногорский" и "Ольжерзсский" (Южный Кузбасс) , разрезе "Листвянский"(Центральный Кузбасс). На карьере строительного камня "Новосмолинский" породы представлены одним литотипом - гранитами, по условиям образования - магматической породой. На угольных разрезах Кузбасса породы вскрышной толщи, в основном, песчаники и алевролиты, т.е. осадочные породы. При этом на Южном Кузбассе их залегание субгоризонтальное, на Центральном субвертикальное. Тагам образом, работоспособность предложенного подхода к корректировке параметров БВР проверялась на разрезах, сложенных породами различного происхождения и залегания. Отмечен устойчивый успешный прогноз необходимости снижения удельного расхода ВВ, многократно подтвержденный результатами взрывов. Основа устойчивости прогноза - в простоте подхода к корректировке параметров БВР, центральным моментом которого является факт изменения скоростей волн с изменением состояния массива. Пределы корретировки дФ на каждом горнодобывающем предприятии свои и зависят от ряда факторов. Они определяются, во-первых, пределами изменения свойств массива. Чем шире пределы, тем значительнее могут быть отклонения средних значений удельного расхода ВВ от минимально-возможных. Во-вторых, возможностью локализации участков или горизонтов, на которых изменения свойств велики и труднопредсказуемы. Например, на разрезе "Красногорский" со слабонаклонным залеганием пород, наиболее сложным для разработки является XXVII горизонт. При проведении работ БСП и МПВ там отмечен резкий конт-

раст в величинах максимальных и фоновых значении б^Ж) расчи-танных по данным сейсмометрии. Наличие в разрезе участков пород, резко контрастирующих по свойствам с фоновыми, во-первых, приводит к повышенному выходу негабаритов, во-вторых, заставляет применять завышенный удельный расход ВВ. Фактически до 1990 г. на XXVII горизонте использовался q % 1.0 кг/м3. Измерение скоростей волн показало, что отклонения от средних значений для Vp - в 2.2 раза, для Vs - в 1.61. Это, в соответствии с (2) показывает возможность изменения q на 22-46 При снижении от первоначального значения на крайнюю величину - 46% удельный расход составил бы Ü.54 кг/м3. Такое значение попадает в интервал, рекомендуемый нормативными источниками. Практически такое снижение величины q без учета свойств пород и перераспределения объемной энергии ВВ - невозможно. Среднее снижение удельного расхода возможно только в пределах левого значения приведенного интервала * 20 Это подтверждает практика взрывных работ: с 1990 г. по 1994 г. q,*, на XXVII горизонте был снижен с 1.0 до 0.8 кг/м3. Исследования, проведенные в 1994г., уже не позволили рекомендовать существенного снижения удельного расхода без изменения конструкции заряда, т.к. в результате были получены близкие средним значения: 0.73-0.77 кг/м3.

На карьере "Новосмолинский" наиболее неоднороден по свойствам 1-й горизонт (нумерация от вскрыши), где действие выветривания - максимально. Средние свойства там определяет фон пониженных значений показателей прочности. Ослабленные породы составляют 53-62 %. Съемка МПВ позволила выделить участки ослабленных пород. В их пределах было рекомендовано расширить сеть взрывных скважин, тем самым снизив удельный расход ВВ и объем бурения. Детальное изучение взрываемого блока пород по вертикали о помощью ВСП на поперечных волнах позволило выбрать оптимальную конструкцию заряда. Было предложено сосредоточить более мощные ВВ не на забое скважин, а в пределах выделенной зоны повышенной прочности. После взрыва развал пород был сфотографирован и визуально оценено количество негабаритов. Было отмечено снижение их числа (в 4.2 раза) по сравнению со средним результатом на этом горизонте. Визуальная оценка подтвердилась результатами экскавации.

На разрезе "Листвянский" породы залегают субвертикально.

Здесь свойства пород изменяются не по вертикали, а в плане. Поэтому основа оптимизации параметров БВР - районирование взрываемых блоков по средним свойствам. Укрупненное районирование карьерного поля в пределах участков, проведено специалистами разреза по наблюдениям за буримостью и результатами взрывов. Нами проводилось районирование свойств пород в пределах взрываемых блоков. По данным МПВ были выделены подблоки, для которых было рекомендовано снизить удельный расход всред-нем приблизительно на 10 %. Взрывание и последующая экскавация подтвердили обоснованность рекомендаций. Пример показывает возможность корректировки параметров БВР даже в случаях, когда последние достаточно удачно выбраны при обобщении опыта буровзрывных работ.

Наибольшие возможности для корректировки параметров БВР имеются на предприятих, на которых отсутствует необходимый объем статистического материала, позволяющего районировать карьерное поле и устойчиво характеризовать его средние свойства. Такая ситуация - на молодых предприятиях и в случае резкой изменчивоси свойств пород. Разрез "Ольжерасский" - относительно молодое предприятие, при этом добыча угля ведется на участках, находящихся в существенно разных физико-технических условиях. Свойства пород резко меняются также в пределах участков и в процессе их отработки. В целом названные причины затрудняют выбор параметров БВР на основе опыта предшествующих работ. До 1994 г. на разрезе применялись высокие значения q = = 1.1+1.4 кг/м3. Проведенные в 1994 г. на 3-м участке исследования МПВ не выявили существенных сейсмо-геологических отличий от наблюдаемых на XXVII горизонте разреза "Красногорский", находящегося в той же группе месторождений. Применяемые вел1гчины Ч были явно завышены из-за резкой изменчивости свойств взрываемых пород и, вследствие этого, затруднений с обоснованием удельного расхода ВВ, а не их особой прочности. В соответствии с результатами обработки данных МПВ по программе qpar.exe было рекомендовано снизить удельный расход ВВ на 0.33 кг/'м3 при одновременном расширении сети скважин на 12 %. Взрыв и последующая экскавация взорванной массы подтвердили правильность рекомендаций. Значительное снижение удельного расхода не привело к ухудшен™ дробления. Это, от обратного, доказывает неэффектив-

ность увеличения только ч для улучшения качества дробления. Повторные исследования, проведенные в 1995 г. позволили рекомендовать снизить удельный расход ВВ еще на 10 Они также показали, что дальнейшее снижение я нужно связывать уже с более детальным изучением разреза для выбора эффективных конструкций заряда.

О связи сейсмических и технологических параметров третьим способом - прямым расчетом, говорится в следующей главе.

Глава 4. Связь результатов дробления с свойствами массива

пород, определенными на основе данных сейсмометрии

В четвертой главе показано, что учесть влияние основных факторов, определяющих результаты разрушения пород взрывом, можно , учитывая фактическое распределение свойств в окрестности зарядных камер.

В настоящее время нет единой концепции взрывного разрушения пород. Результаты опытов объясняют с двух позиций: действия волн напряжений и преимущественного действия газообразных продуктов детонации . Длительное сосуществование двух радикально различающихся точек зрения на механизм взрывного разрушения пород, можно объяснить их ограниченным применением для прогнозирования взрываемости. Обобщение практического опыта показывает необходимость детализации свойств каждого взрываемого блока пород. Указывается на целесообразность рассредоточения заряда ВВ в неоднородном массиве: в пределах участков прочных пород располагать интервалы ВВ, инертный материал - в пределах зон трещиноватости . Отмечается существенное ослабление волн напряжений даже при прохождении единичных трещин, вплоть до локализации действия взрыва в пределах отдельности, через которую проходит заряд ВВ . Таким образом, новый уровень детализации массива - это описание и учет тех деталей строения, которые определяют трансформацию энергии ВВ в окрестности каждой взрывной скважины. Основой расчетов дробящего действия взрыва могут стать данные сейсмометрии, отражающие изменения свойств пород с необходимой детальностью.

Ниже приводится описание алгоритма, разработанного автором диссертации для расчета разрушающего действия волн

напряжений и газообразных продуктов детонации в зависимости от свойств пород, определенных на основе данных сейсмометрии. Расчет опирается на ряд исходных положений:

1. В процессе разрушения пород участвуют как волны напряжений, так и газообразные продукты детонации ВВ. При этом исходно предполагалось не определять долю участия каждого из названных факторов.

2. Действия волн напряжений и газообразных продуктов детонации происходят в хронологической последовательности, могут быть рассмотрены отдельно, а результаты суммированы.

3. Считается, что в средней зоне действия заряда ВВ (г > 1м), волны напряжений не имеют особых характеристик: сверхзвуковой скорости распространения, мгновенного повышения давления во фронте.

4. Считается, что движение газовых потоков по трещинам начинается не ранее момента завершения расширения зарядной камеры.

Исходным для расчета является массив сейсмических параметров, например, скоростей продольных или поперечных волн и производных от них величин: бСж. пустотности п и т.д. Дискретность представления сведений о массиве пород определяется объемом вычислительной ячейки (ЭДВя)• Центром координат при расчетах является ось выбранной скважины.

Принцип расчета следующий. В каждой вычислительной ячейке определяем и сравниваем силы, вызывающие изменение исходного состояния массива и противодействующие этому. В случаях, когда первые превышают вторые, считаем, что начинается рост дефектов и объема полей напряжений (№Пн) вокруг них. При условии УтшМвя, считаем, что массив пород в объеме данной вычислительной ячейки будет состоять из отдельностей, число которых связано с количеством исходных и вновь образованных дефектов.

Напряжения, возникающие в породах в результате волнового действия можно расчитать, используя известное выражение для средней зоны цилиндрического заряда:

бц = 31.5(УррРгс/х)1/2 ехр(-ах), (3)

где х - расстояние от центра заряда, м; г - радиус скважины

(заряда), м; Р - давление, Па; а - коэффициент затухания, 1/м:

ос = 0.164(ртУрт)Ср/(0.1р1Ур1)1-02 , (4)

где р! и Ур1 - значения плотности и скорости в 1-й вычислительной ячейке; (ртУрш)ср _ среднее из трех максимальных значений акустической жесткости на исследуемом блоке пород.

Основной механизм разрушения при распространении волн напряжений - это рост имеющихся дефектов под действием сил растяжения. При расширении газообразных продуктов взрыва, происходит аналогичное действие - расклинивающее. Показатели прочностных свойств существенно изменяются с увеличением скорости приложения нагрузок. Параметр, характеризующий сопротивление пород при взрывном нагружении, может быть записан так:

брд * 0.08 6 сжст (Ур,У3)[1 + к1пин], (5)

где бСЖст(Ур,Уе) - статическое сопротивление пород одноосному сжатию, расчитанное на основе данных о скоростях сейсмических волн; к - коэффициент динамической прочности , о)н - скорость нагружения .

Аналогичный алгоритм может быть применен для расчета имитации действия газообразных продуктов взрыва. В этом случае, разрушающее действие будет определяться давлением на стенки зарядной камеры, а противодействие - величинами показателей динамической прочности. Изменение давления происходит по схеме:

Рд - Рк - Рс ,

где Рд, - детонационное или исходное давление, которое зависит от свойств ВВ, Рк - давление в объеме камуфлета, которое зависит от свойств пород в непосредственной близости от зарядной камеры; Рс - суммарное давление. Отражает процессы расхождения и торможения газов.

Распределение величин Рс в объеме вокруг взрывной скважины зависит от скорости потоков газа V. Выражение для V/ в двух соседних точках при показателе адиабаты ае »¡1.3:

Vli+l = 3^41+1/34+1X1 (1+0. 15М12)-°-5Х

х{273.65(Тон+«12/2Ср) ехр[-1.3£,М12Х/0(1+1.3М12)]>0-5. (7)

где X принимает два фиксированных значения: Х=\^Вя1/3-гу. и Х= '^ЕЯ1/3; з - раскрытие трещин, М - число Маха, Тон~ начальное значение температуры торможения, Ср - изобарная теплоемкость, с,- вторая вязкость, 0- гидравлический диаметр .

Время разрушающего действия газообразных продуктов взрыва ограниченно и занимает период от начала движения газов по трещинам до выхода их в атмосферу и, вследствие этого, падения давления до уровня, при котором не происходит рост трещин. К моменту 1пип фронт потоков во всех каналах будет ограничен некоторой поверхностью, за пределами которой породы не будут испытывать воздействия газов. С этого момента давление в трещинах начинает падать. Среднее время снижения давления до уровня, при котором не будет происходить разрушение пород, определяется средним расходом газа.

Вероятность пересечения горизонтальных трещин с взрывными скважинами приблизительно в 10 раз больше, чем вертикальных. Поэтому, при расхождении, газ заполнит ъ 0.55 объема пустот, определяемого л. Перетекание газа в узлах пересечения трещин ограничено большими потерями энергии потока при обтекании им углов.

Теперь можно записать выражение для Рс с учетом изменений как объема заполняемых пустот, так и скорости газа:

Рс1+1=Рс^^1Л'1+1)1-3[(Тон+«1+1г/2Ср)/(То1^1:г/гСр)]4-33 (8)

где Ы1=0.55^вя1/3 Е Игр! (х^-х^-^+Мк; Игр! - среднее эначе-1

ние трещинной пустотности в 1-том кольцевом объеме; при 1=1, Х1_1=Х0=гк. Определив значения Рс в объеме, ограниченном поверхностью фронта потоков газов к моменту времени сравниваем их с соответствующими величинами 6рДГ. Последние определяем из выражения, аналогичного (5) для брд.

Анализируются вычислительные ячейки, в которых, после действия волн напряжений выполняется условие ШПн< В ячей-

ках, в которых Рс>брдг происходит (или возобновляется) рост трещин - увеличение их длины. Далее, расчитывается объем полей напряжений и сравнивается с Результатом вычислений явля-

ются профили, на которых дается пространственное распределение размеров кусков.

Алгоритм позволяет прогнозировать результат дробления в зависимости от состояния пороД в окрестности взрывных скважин и параметров ЕВР: а) расположения взрывных скважин относительно деталей строения массива; б) расстояния между скважинами; в) вида ВВ или сочетания видов ВВ и их расположения в скважине; г) количества, расположения инициаторов и их массы; д) наличия, количества и расположения инертных и воздушных промежутков. Появляется возможность выбора оптимальных параметров, при которых достигается наилучшее сочетание результата дробления и стоимости всего цикла буровзрывных работ.

Заключение

1. Анализ существующих методов изучения горного массива показывает, что, в отдельности, они не дают полной и адекватной информации о состоянии пород в их естественном залегании.

Отсутствует налаженный и адаптированный в горном производстве механизм получения информации, позволяющей оперативно корректировать технологические параметры в соответствии с изменением свойств горного массива.

Информация о состоянии горного массива, позволяющая корректировать технологические параметры, може^ быть получена с помощью геофизических методов, которые целесообразно применять в райках специализированных технологий, выполняющих определенную функцию и имеющих технологическую нишу в современном горном производстве.

ЕОЛН.

2. При решении технической задачи изучения состояния массива пород следует выделять стадии, связанные с различной детальностью исследования.

- аз -

Эффективность применения сейсмометрии в рамках специализированных технологий во многом зависит от выбора средств и условий возбуждения и приема колебаний. Применение разработанных источников колебаний и приемных устройств существенно упрощает использование поперечных волн в верхней части горного массива.

3. Разработан оперативно реализуемый подход к корректировке параметров БВР на основе данных сейсмометрии.

Для выявления связи особенностей изменения сейсмических параметров в подготавливаемом к взрыву блоке пород с результатами взрыва использовалась прямая корреляция.

Оптимизировать результат взрывного дробления пород можно, увеличивая объемную концентрацию энергии ВВ в пределах выявленных по данным сейсмометрии зон максимальных значений скоростей волн.

Корректировка удельного расхода ВВ достигается тем, что по замерам сейсмических параметров в исследуемом блоке определяют р, беж и находят отношение полученных величин к исходным.

Разработаны программные средства, позволяющие расчитывать параметры БВР на основе данных сейсмометрии.

Работоспособность предложенного подхода к корректировке параметров БВР проверялась на разрезах, сложенных породами различного происхождения и залегания. Отмечен устойчивый успешный прогноз необходимости снижения удельного расхода ВВ.

4. Для прогнозирования действия взрыва необходим новый уровень детализации свойств неоднородного массива - описание и учет тех деталей строения, которые определяют трансформацию энергии ВВ в окрестности каждой взрывной скважины.

Учет влияния на результаты дробления пород как волн напряжений, так и газообразных продуктов детонации становится возможным, вследствие комплексной характеристики взрываемого массива пород по данным многоволновой сейсмометрии.

Опубликованные материалы по теме диссертации:

Монография:

1. Многоволновая сейсмометрия при решении горно-геологи-

ческих задач. - Екатеринбург: типогр. УрО РАН, 1998, 112 с.

Патенты:

2. Патент N 1718170 в 01 V 1/053 (РФ). Источник поперечных волн /НИИОГР. Автор изобретения Воронцов И.В. - Заявл. 23.10.89 N 4751374. БИ, 1992, N 6.

3. Патент N 1784934 е 01 V 1/40 (РФ). Способ сейсмического просвечивания субгоризонтально и субвертикально залегающих локальных неоднородностей /НИИОГР. Автор изобретения Воронцов И.В.- Заявл.24.09.90 N 4858446. БИ, 1992, N 48.

4. Патент N 2046942 6 Е 21 С 37/00 (РФ). Способ отбойки горных пород /ТОО фирма "РИВЭТ". Автор изобретения Воронцов И.В.- Заявл. 18.05.92 N 5057975. БИ, 1995, N 30.

5. Патент N 2055193 6 Е 21 С 37/00 (РФ). Способ проведения взрывных работ /ТОО фирма "РИВЭТ". Авторы изобретения Воронцов И.В., Жуковский А.А. - Заявл. 31.08.93 N 93043123. БИ, 1996, N6.

Статьи и тезисы докладов:

6. Оценка параметров горного массива с помощью сейсморазведки. Тезисы докл. обл. научно-практ. конф. Челябинск, 1989. С.60-62.

7. Расчет оптимальных параметров буровзрывных работ по сейсмическим данным. Тезисы докл. IV Всесоюзной научно-техн. конф. М., 1989 (соавторы Р.Р.Шагабутдинов, А.А.Жуковский). С.30-31.

8. Определение физико-механических свойств рыхлых грунтов при помощи сейсмокаротажа. - Свердловск, Ин-т геофизики АН СССР. Деп. ВИНИТИ 05.06.90, N 4696-В90.- Но.

9. Методические особенности сейсмокаротажа при инженерных изысканиях. - Свердловск, Ин-т геофизики АН СССР. Деп. ВИНИТИ

.06.08.90, N 4697-В90, 11с.

10. Выделение "крепких включений" и оценка массива вскрышных пород методами скважинной сейсморазведки. - В сб.¡Совершенствование технологических процессов добычи угля открытым способом.- Челябинск: НИИОГР. - 1990. С.154-160.

11. Источники горизонтально-поляризованных поперечных волн в малоглубинной сейсмике. - Сб. научн. трудов НИИОГР.-Челябинск.- 1990.- С. 161-168.

12. Применение сейсмокаротажа при инженерных изысканиях. - Инженерная геология, 1991, N 1, с.92-98.

13. Разработка геолого-геофиэических методов и средств оценки состояния вскрышного массива. - Уголь, 1991, N 3, с.60-63 (соавторы Л.В.Лабунский , Н.М.Демиденко).

14. Результаты применения сейсморазведки на поперечных волнах для изучения взрываемых блоков. - Сб. научн. трудов НИ-ИОГР.- Челябинск.- 1992.- С.92-97 (соавтор А.А.Жуковский).

15. Технология, позволяющая привести затраты на буровзрывные работы в соответствие со свойствами пород. - Уголь, 1996, N 5, с.33-34 (соавтор А.А.Жуковский).

16. Многоволновая сейсмометрия при оптимизации параметров буровзрывных работ. Тезисы докл. междунар. конф. "Мельникове-кие чтения". Екатеринбург, 1998. Т.1, с.240-243.

Воронцов Игорь Владимирович

Подписано в печать 11.11.98. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 2,2. Тираж 100. Заказ 129.

Размножено с готовых оригинал-макетов в типографии УрО РАН.

620219, Екатеринбург, С. Ковалевской, 18.

Информация о работе

Воронцов, Игорь Владимирович
доктора технических наук
Екатеринбург, 1998
ВАК 04.00.12

Автореферат

Похожие работы