Введение к работе
Актуальность работы. Большинство шахт Кузбасса перешло на разработку угольных пластов на глубине 300-400 м, отдельные -на глубине 500-700 м. При разведке и доразведке запасов значительно сокращают объемы бурения разведочных скважин, по данным треста "Кузбассуглеразведка" 1990 г. было пробурено 338 км. а в 1995 г. 104 км, уменшилась и их средняя глубина с 323 м до 184 м. Сокращены и объемы определения физико-механических свойств горных пород, что в значительной степени объясняется большой трудоемкостью и стоимостью отбора-проб и испитаний их существующими лабораторными методами. Отсутствие достаточно полной информации о прочностных свойствах горных пород затрудняет решение многих горнотехнических задач. О том, что потребность в такой информации будет расти свидетельствуют прогнозные данные об объемах добычи угля в Кузбассе на период 1996-2000 гг.: предусматривается увеличение добычи соЛОЗ до 116 млн.т. как за счет действующих, так и строительства новых угледобывающих предприятий.
Следовательно, при удельной протяженности горных выработок 12 м на 1000 т добычи угля, в 1996 г. в Кузбассе необходимо пройти их 7-Ю км, а в 2000 г. - 850,км. Это требует определения прочностных свойств горных пород для выбора оптимальных технологических решений, прогнозирования проявлений горного давления и решения.других горнотехнических задач.
В связи с этим тема диссертационной работы, направленная на разработку методов прогнозирования прочностных свойств уг-левмещающих горных пород для геомеханического обоснования строительства, реконструкции и. эффективной эксплуатации горных предприятий, является актуальной.
Исследования выполнялись в соответствии с постановлениями ГКНТ СССР N 56 от 10. 03.86, ГКНТ СССР и Президиума АН СССР К 385/96 от 13.07.84 , в рамках программы "Уголь Кузбасса", являющейся составной частью региональной программы "Сибирь", а также планом НИР Кузбасского политехнического института по программе 115 "Исследование физико-механических двойств, горных пород при разведке и доразведке угольных месторождений Кузнецкого бассейна" (N гос.per. 78035458).
Цель работы состоит в разработке методов прогнозирования прочностных свойств горных пород, обеспечивающих надежность, оперативность и удобство, их практического применения.
Основная идея работы заключается в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами горных пород, определяемыми по различным методикам для приведения полученных данных к базовым показателям и разработке на этой основе научно обоснованных методов их прогнозирования по геофизическим данным геологоразведочных работ и значениям скоростей распространения ультразвуковых волн.
Задачи исследований:
исследовать прочность горных пород при сжатии и растяжении различными методами, установить взаимосвязи между получаемыми показателями и значения поправочных коэффициентов для приведения полученных данных к базовым показателям;
установить возможность определения предела прочности при. растяжении на цилиндрических образцах с различными отношениями высоты к диаметру, в том числе и на кусках керна без специальной обработки их торцов;
установить взаимосвязи между прочностными свойствами горных пород и скоростями распространения в них ультразвуковых упругих волн с учетом типа и структурно-текстурных особенностей породы; определить диапазоны изменения пределов прочности и скоростей ультразвуковых волн углевмещающих горных пород, разработать методику.прогнозирования прочностных -свойств по скорости распространения ультразвуковых волн;
исследовать изменение прочностных свойств горных пород при многократном замораживании и оттаивании, установить возможность прогноза их по скорости распространения ультразвуковых волн;
выбрать систему геофизических факторов, оценить их количественное влияние и степень информативности на прогноз прочностных свойств горных пород с использованием теории распознавания образов;
разработать методы прогнозирования прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривой и граф-метода прогноза и принятия решений по комплексу геофизических факторов.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий научное обобщение и анализ теоретических разработок, посвященных проблемам прогноза инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых; методы корреляционного парного и многофакторного анализа, теории распознавания образов и оптимальных статистических решений,
- 5 -лабораторные и аналитические исследования, анализ и обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики, промышленная проверка и внедрение рекомендаций.
Научные положения, выносимые на защиту:
значения Величины предела прочности, полученные на образцах в соответствии с рекомендациями ГОСТ и инженерных методик, имеют значительные'различия и в тоже "время между ними существует связь, которая с коэффициентами корреляции от 0,72 до О,85 описывается уравнениями линейной регрессии;
предел прочности на растяжение следует 'определять на образцах цилиндрической формы с отношением высоты к диаметру в пределах 0,3+1,5, в том числе и на кусках кернов без обработки их торцов, что позволит на 35-50% увеличить объем испытаний по каждой пробе, и, соответственно, повысить уровень надежности полученной информации;
между прочностью всех исследованных типов' и структурно-текстурных групп углевмещающих горных пород и скоростью распространения в них продольных ультразвуковых волн имеется тесная корреляционная связь, адекватно описываемая уравнениями параболической регрессии;
разброс значений скорости распространения волн значительно меньше, чем разброс значений пределов прочности на сжатие и растяжение в связи с тем. что изменения вещественного состава пород незначительно влияют на скорость распространения в них волн, и весьма сильно на прочность пород;
многократное замораживание и оттаивание сухих горных пород не приводит к существенному изменению их прочностных свойств и скорости распространения ультразвуковых волн; замораживание водонасыщенных пород увеличивает прочность на 20-200% и скорость волн на 5-23%; у водонасыщенно замороженных и оттаянных на воздухе и в воде пород прочность снижается на 46-48%, а скорость волн увеличивается на 3-5%;
- повышение точности прогнозирования прочностных' свойств
горных' пород достигается использованием информации, полученной
не только из скважин, по которым выполнены лабораторные опре
деления физико-механических свойств, но и из скважин, по кото
рым имеются геофизические измерения; самым информативным из
геофизических параметров является кажущееся сопротивление по
тенциал-зондами, следующими в порядке убывания - гамма-гам
ма-каротаж, кажущийся коэффициент затухания, гамма-каротаж.
кавернометрия",- интервальное время распространения упругих волн;
- разработанные принципы прогнозирования прочностных
свойств горных пород по геофизическим параметрам, на основе
теории распознавания образов, с использованием вероятностной
кривой и граф-метода обеспечивают точность прогноза в пределах
75-87%.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
исследованиями в лабораторных условиях прочностных свойств горных пород полей 50 шахт и участков угольных месторождений Кузнецкого бассейна с использованием современных методик, оборудования и приборов;
использованием методов математической статистики, корреляционного парного и многофакторного анализа, теорий распознавания образов и оптимальных статистических решений;
хорошим соответствием прогнозных оценок и результатов лабораторных определений прочностных свойств горных пород, (точность прогноза от 70 до 90%);
использованием результатов работы: трестом "Кузбассуг-леразведка" для составления отчетов по разведанным и доразве-данным запасам угля при оценке устойчивости кровли рабочих пластов и обосновании технологии горных работ; проектными институтами "Кузбассгипрошахт" и "Сибгипрошахт", шахтостроитель-ными организациями и шахтами для обоснования условий ведения горностроительных и эксплуатационных работ.
Научная новизна работы заключается в том. что в ней :
установлены взаимосвязи между прочностными свойствами горных пород, определяемыми по различным методикам;
установлены значения поправочных, коэффициентов для приведения к базовым показателям значений предела прочности на сжатие, определяемых при различных соотношениях высоты и диаметра образца;
обоснована целесообразность использования кусков керна цилиндрической формы без специальной обработки их торцов, а также доказана возможность использования образцов с отношением высоты к диаметру 0.3*1.5 при определении предела прочности на растяжение;
разработана методика прогноза прочностных свойств с
- 7 -учетом типа породы, структурно-текстурных особенностей и состояния ее по значениям скоростей распространения ультразвуковых волн;
разработан метод прогноза прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривой по комплексу геофизических параметров;
разработан метод прогноза прочностных свойств горных пород с помощью графа-метода прогноза и принятия решений по комплексу геофизических параметров.
Личный вклад автора заключается в разработке теоретических положений по прогнозированию прочностных свойств углевме-щавдих горных пород, в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами' пород, получаемыми по различным методикам; в обосновании возможности определения предела прочности горных пород на растяжение на цилиндрических образцах с различным отношением высоты к диаметру, в том числе и на кусках керна без специальной обработки их торцов; в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами горных пород,и скоростями распространения в них ультразвуковых волн с учетом типа и структурно-текстурных особенностей строения породы; в установлении возможности прогноза изменения прочностных свойств горных пород при многократном замораживании и оттаивании по скорости распространения ультразвуковых волн; в постановке задачи прогноза прочностных свойств горных пород по комплексу геофизических параметров геологоразведочных работ с использованием теории распознавания образов; в разработке методов прогноза прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривей, граф-метода прогноза и по скорости распространения ультразвуковых упругих волн.
Практическое значение работы:
доказана возможность получения надежной и объективной информации о прочностных свойствах горных пород путем испытания материала всей пробы, а не только той ее части, из которой можно изготовить цилиндрические образцы в соответствии с требованиями ГОСТ, что позволяет снизить затраты на отбор и испытания горных пород;
получены систематизированные данные о прочностных и акустических свойствах основной и непосредственной кровли*и почвы углевмещающих горных пород;
установлены . наиболее характерные величины соотношений
- 8 -прочностных свойств и скоростей распространения ультразвуковых волн при многократном замораживании и оттаивании в зависимости от состояния породы;
- разработаны методы прогноза прочностных свойств горных пород по значениям скоростей распространения ультразвуковых волн и по комплексу геофизических параметров, получаемых при ведении геологоразведочных работ, позволяющие значительно сократить объемы лабораторных испытаний прочностных свойств пород традиционными методами, характеризующимися большой трудоемкостью и продолжительностью, что позволяет снизить стоимость работ в 1.5-2 раза.
Реализация выводов и рекомендаций
Результаты исследований по определению прочностных свойств углевмещакщх горных пород использованы трестом "Куз-бассуглеразведка" для составления отчетов по разведанным и до-разведанным запасам при оценке устойчивости кровли рабочих пластов и обосновании технологии горных работ, вошли в справочник "Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна" и используются в учебном процессе при подготовке- ..специалистов горного профиля в Кузбасском государственном техническом университете.
Методические рекомендации "Прогноз прочностных свойств горных пород по скорости распространения в них ультразвуковых волн" внедрены в тресте "Кузбассуглеразведка", а методические рекомендации "Прогноз прочностных свойств горных пород по данным геофизического обследования геологоразведочных скважин" внедрены в .АООТ "Концерн Кузбассшахтострой" и тресте "Кузбассуглеразведка" .
Результаты исследований прочностных свойств горных город используются проектными институтами "Кузбассгипрошахт", "Сиб-гипрошахт", шахтами и шахтостроительными организациями при проектировании и строительстве новых горизонтов и шахт Кузбасса, геомеханическом обосновании технологии горно-строительных и эксплутационных работ. Получен реальный экономический эффект в размере 1.5 млн. руб. (в ценах 1990 г.).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзных научных конференциях (Москва, 1987г., 1991г.), Всероеийских конференциях (Кемерово,^ 1994г., 1995г., Москва 1995г.), региональной научно-практической конференции (Кемерово, 1995), ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического
- 9 -университета (Кемерово, 1987-1996гг.), научно-технических советах треста "Кузбассуглеразведка" (1993-1995гг.), техсовете АООТ "Концерн Кузбассиахтострой" (1995г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, включая 2 монографии.
Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, содержит 8 рисунков, 51 таблицу, список литературы из 126 наименований, 5 приложений.