Введение к работе
Актуальность проблемы. Универсальный тезис, утверждающий, что трудоемкость, энергоемкость и металлоемкость производства обратно пропорциональны наукоемкости, справедлив и актуален для горнодобывающей промышленности, как ни для какой другой отрасли народного хозяйства.
Проблемы комплексного освоения недр и экологической безопасности включают в себя проблему получения детальной геотехнической информации и ее оперативной автоматизированной обработки. Отечественная горная наука и практика в условиях обстряющейся конкуренции и вынужденного отказа от привычной затратной экономики не могут более оставаться в рамках усредненных представлений об изучаемом и разрабатываемом ими объекте.
Только индивидуальный подход к каждому месторождению, карьерному полю, горизонту, каждому пласту и пропластку, взрываемому блоку определит экономический успех и экологическую приемлемость горного производства. С этого, впрочем, и начиналось горное искусство, утраченное в процессе всеобщей регламентации.
Принципиальная недостаточность геотехнической информации, получаемой при испытаниях образцов пород, в свете решающего влияния структурных факторов (трещиноватости всех порядков, блочности) на сопротивляемость массивов разрушению перестала быть предметом дискуссий. Пути решения проблемы лежат в области широкого использования геофизических, прежде всего сейсмических методов.
Горная сейсмометрия радикально отличается от классической сейсморазведки (в том числе и от инженерной) как в силу самой постановки геотехнических задач, так и в силу резкого качественного отличия состояния вовлекаемых в разработку массивов от нетронутых, обусловленного уходом свободной воды из трещин и сильным предварительным инженерным воздействием. Она составляет по существу самостоятельный большой раздел, базирующийся на общих достижениях сейсмики, изучающий процесс распространения упругих волн в сильно трещиноватых средах с фрагментарными литологическими и структурными границами раздела, устанавливающий зависимости параметров этого процесса от параметров механического состояния массивов пород и целиком направленный на решение конкретных геотехнических задач.
Предлагаемая работа подводит итог многолетних исследований автора по развитию этого актуального и перспективного направления.
В диссертационной работе решена проблема оценки механического состояния массивов горных пород на карьерах, имеющая важное народно-хозяйственное значение.
В монографии-диссертации использованы результаты исследований, выполнявшихся по планам Московского горного института 1962-1966 гг. и планам Института проблем комплексного освоения недр РАН в период 1967-1992 гг. В исследованиях автор принимал участие в качестве научного руководителя и ответственного исполь-нителя тем, связанных с разработкой стандартизованных методов определения физико-механических свойств пород, созданием справочника-кадастра по физическим свойствам пород и с разработкой сейсмических методов оценки состояния массивов горных пород на карьерах.
Цель исследований — создание научно-методических основ оценки состояния массивов горных пород на карьерах с помощью упругих волн и разработка на этой базе способов решения геотехнических задач, таких как определение трещиноватости (блочности) массива, оценка прочностных свойств пород и динамики их изменения, прогнозирование показателей добываемости, локапизация скальных включений в рыхлых толщах и т.п.
Основная идея работы — использовать особенности процесса распространения упругих волн в неоднородных средах для определения положения стационарных и фрагментарных литологических и структурных границ и использовать сильную зависимость скоростей продольных сейсмических волн в осушенных массивах от трещиноватости третьего порядка и взаимосвязь крепости пород со скоростью продольных ультразвуковых волн в куске для оценки блочности массива и его сопротивляемости разрушению.
Методы исследования. Обобщение и анализ литературных и производственных данных по физико-техническим свойствам пород и показателям добываемости. Аналитические исследования процесса распространения упругих волн в трещиноватых средах и средах с фрагментарными границами раздела, дополненные ультразвуковым моделированием на твердых трехмерных моделях и полевыми исследованиями, определение акустических и механических свойств пород в лабораторных и производственных условиях. Проведение промышленных и полигонных испытаний по оценке взрываемости и рыхлимости пород, контролю эффективности электрохимического укрепления массивов, мониторингу состояния бортов карьера, по обнаружению скальных включений в рыхлых толщах и реализация проектов массовых взрывов, выполненных поданным сейсмометрии взрываемых блоков.
' 4
На защиту выносится решение проблемы оценки механического состояния массивов горных пород, разрабатываемых открытым способом. Решение проблемы включает следующие основные научные положения:
1. Количественная информация о распределении трещиноватости
HI порядка (блочное) массива составляет неотъемлемую часть
геотехнической информации, необходимой для решения задач, свя
занных с обеспечением устойчивости выработок и подготовкой пород
к выемке.
Трещина III порядка в зависимости от величины раскрытия и материала заполнителя может быть "открытой", т.е. непроходимой для упругой волны заданной частоты, или "закрытой". Кинематика волн в массивах с открытыми и закрытыми трещинами кардинально различна: открытые трещины искажают геометрию сейсмических лучей, закрытые трещины вносят свой вклад только в снижение интегральных упругих модулей и, следовательно, истинных скоростей упругих волн.
, При отсутствии в трещинах, свободной воды это — сильная зависимость, позволяющая надежно оценивать трещиноватость III порядка по скоростям квазипродольных сейсмических волн в массиве и ультразвуковым скоростям в отдельностях (структурных блоках) породы. Квадрат отношения этих скоростей, названный акустическим показателем трещиноватости, функционально связан с трещи-новатостью III порядка массива.
2. Блочность массива статистически связана с акустическим
показателем трещиноватости. Коэффициент крепости пород корре
лирует со скоростью ультразвуковых волн. Наличие этих связей
позволяет оценивать прочностные свойства пород и динамику их
изменения, равно как и показатели добываемое по легко и
надежно определяемым акустическим параметрам.
-
Максимальные значения выборки скоростей упругих волн при нормальных условиях вместе со средне-максимальными значениями этих же скоростей при давлении 0,4-0,5 ГПа и значениями, определенными расчетным путем для пород с нулевой пористостью, являются основой для определения скоростей упругих волн в квазибездефектных горных породах.' Эти скорости могут быть использованы в качестве эталонных при оценке степени сохранности горных пород, ско.ростёй и градиентов изменения упругих и прочностных свойств во времени и пространстве.
-
На фрагментарных границах, каковыми являются поверхности инородных включений, при отношении мощности включения к длине волны, большем 0,02, в полном соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля возникают прёломлено'-рефрагированные и диф-
рагированные волны, которые могут регистрироваться в первых вступлениях записи. В области тени включений наблюдаются динамические эффекты, .связанные с частичным отражением волн и интерференцией проходящих и дифрагированных волн. Кинематические и динамические эффекты от наличия инородных диалогических образований при определенных условиях выходят за рамки естественных флуктуации и могут быть положены в основу методов локализации скальных включений в рыхлых толщах. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена классифкация трещиноватости горных пород, отвечающая потребностям горного дела.
-
Показано, что классификации массивов по сопротивляемости разрушению в процессах, когда объем, непосредственно воспринимающий нагрузку, приближается к объему естественных отдельн-стей, должны базироваться на двух некоррелируемых классифицирующих признаках: крепости куска и трещиноватости Ш порядка (блочности).
-
Установлена зависимость коэффициента проходения продольных упругих волн через трещину от ее раскрытия, материала заполнителя и частоты волны. Количественно оценены кинематические эффекты, вызываемые наличием открытых трещин. Выведена функциональная зависимость скорости квазипродольных сейсмических волн от степени трещиноватости III порядка массива.
-
Экспериментально установлена статистическая связь акустического показателя трещиноватости с блочностью массива. Получена обобщенная связь коэффициента крепости пород со скоростью продольных ультразвуковых волн.
-
Получена зависимость коэфициентов вариации скоростей продольных волн от области отбора проб для пород основных типов. С ее гіомощью определены необходимые количества образцов при замерах скоростей упругих волн, заложенные в ГОСТ 21153-7-75/81/86/91.
Обоснована возможность и определны необходимые, условия измерения скоростей ультразвуковых волн на образцах неправильной формы, заложенные ь тот.же ГОСТ.
6. Определены "эталонные скорости" продольных волн для квази
бездефектных пород основных литологических типов. Разработана
процедура оценки динамики изменения упругих и прочносхных
свойств пород с помощью "индекса сохранности". Разработаны
основы мониторинга состояния бортов карьеров путем слежения за
изменением индекса сохранное и акустического показателя тре
щиноватости.
7. На единой физической основе обобщен производственный опыт
взрывания и механического рыхления массивов и данные собствен
ных экспериментов и промышленных испытаний Разработаны двух
мерные классификации массивов по взрываемости и рыхлимости, а
также номограмма для определения технической производительно
сти рыхлителей всех классов. Параллельная градуировка шкал'
классификационного поля традиционными механическими и легко
и надежно определяемыми акустическими параметрами дает воз
можность оперативной оценки показателей добываемости по всем
координатам.
-
Установлены основные закономерности кинематики упругих волн в средах с фрагментарными границами раздела. Получены количественные оценки кинематических и динамических эффектов от наличия скальных включений в рыхлых толщах, положенные в основу методов локализации скальных включений.
-
Разработаны методические основы цифровой сейсмометрии массивов горных пород на карьерах.
Достоверность научных положений и выводов, выносимых на защиту, подтверждается использованием, фундаментальных положений теории упругости, физической акустики и теории распространения упругих волн в слоистых средах, проверкой аналитических построений исследованиями на твердых трехмерных моделях и петрографически однородных массивах, представляющих собою фактически "модели в натуральную величину", контрольным бурением сквпжин, сопоставлением данных сейсмометрии с данными планиметрических методов, а также положительными результатами использования сейсмических методов для решения геотехнических задач на многих предприятиях страны и включением основных защищаемых положений в учебные и справочные пособия и нормативные документы.
Практическая ценность. Результаты исследований позволили разработать:
-
ГОСТ 21153.7-75/81/86 и его новую редакцию 1991 г. "Породы горные Методы определения скоростей распространения продольных и поперечных упругих волн".
-
Методику оценки прочностных свойств горных пород и динамики их изменения по акустическим параметрам.
-
Основы способа контроля эффективности электрохимического укрепления массивов и основы мониторинга состояния бортов карьеров с помощью упругих волн.
-
Способ картирования карьерных полей и месторождении блочного камня по трещиноватостн.
-
Модернизированный способ ультразвукового контроля качества блочного камня для пильных изделий.
-
Сейсмический способ оценки рыхлимости массивов.
-
Способ оперативного картирования взрываемых блоков и автоматизированного проектирования параметров буровзрывных работ.
-
Способ обнаружения скальных включений в рыхлых толщах по преломленно-дифрагированным волнам и основы теневых способов обнаружения включений.
-
Технические требования к компьютеризированной сейсмостан-ции для горного дела, реализованные в станциях серии GE-net.
Реализация результатов исследования. С 1975 г. действует ГОСТ 21253.7-75/81/86/91. Сейсмический способ оценки механической рыхлимости массивов использовался по просьбе соответствующих министерств и их институтов на карьерных полях Невь-янского, Афанасьевского, Каменец-Подольского, Спасскдальнего и Рыбницкого цемзаводов, на карьерах Ткварчельского, Белоручейско-го и Балаклавского рудоуправлений, карьерах Ковровского карьеро-управления и ПО "Фосфорит", на разрезах комбината "Эстон-сланец" при проведении государственных испытаний тракторных рыхлителей и на Подольском карьере при проведении испытаний зарубежных рыхлителей, а также на оермикулитовом месторождении "Каменные могилы" и Чилисайском фосфоритовом месторождении.
Способ картирования по трещиноватости карьерных полей и месторождений блочного камня применялся на гранитных карьерах "Каменногорский" и "Перкон-Лампи", месторождениях габброидов "Островское", гранитов — "Богатыри" и "Севостьяновское".
Способ контроля эффективности электрохимического укрепления массивов использовался при проведении ГИГХСом промышленных экспериментов по укреплению оползневых участков на объектах Яворовского и Роздольского горнохимических комбинатов.
Работы по локализации скальных включений, выполненные на карьере Михайловского ГОКа, позволили отработать незасоренную включениями часть горизонта сеноман-альбских песков роторным комплексом Михайловка-1.
На карьерах Каменногорского КУ и ПОГК "Кузнечное" реализованы 32 проекта массовых взрывов, выполненных по данным оперативного картирования взрываемых блоков, и внедряется автоматизированная система проектирования параметров буровзрывных работ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзн. научи, конф. ВУЗон с участием НИИ "Физика горных пород и процессов" (М., 1964, 66, 69, 71, 74, 77, 79 гг.), на.Всесоюзн.
и международн. конф. по механике горных пород (Новосибирск, 1968 г., Тбилиси, 1985 г., М., 1993 г.), ва Всесоюзн., международн. и региональн. совещ. по буровзрывным работам (Кр. Рог, 1974 г., Киев, 1982 г., Губкин, 1988 г., Гере, 1988 г., Оленегорск, 1977 г.), на Всесоюзн. конф. по состоянию и перспективам развития технологии открытых разработок с применением новых видов мобильного .оборудования (М., 1975, 86 п\), на Всесоюзн. семинарах по горной геофизике (Батуми, 1985 г., Боржоми, 1987 г.), на Всесоюзн. совещ. "Внедрение и направления развития геофизических методов на горных предприятиях" (Белгород, 1972 г.), на Всесоюзн. совещ. по механике грунтов (Рига, 1970 г.), на Всесоюзн. совещ. по развитию промышленности стройматериалов (Усть-Нарва, 1978 г.), на Всесоюзн. совещ. по развитию КАТЭК, ЭТЭК и ЮЯТЭК (М., 1984 г., Красноярск, 1987 г.), на отрасл. совещ. по проблеме обнаружения скальных включений на месторождениях КАТЭК (Киев, 1979, 81, 82 гг., М., 1981 г., Челябинск, 1983, 84, 85 гг.), на отрасл. совещ. по развитию сейсмических методов оценки состояния массивов на карьерах Ленстройматериалов (Л., 1986, 88, 89 гг.), на Научном Совете АН СССР по физико-техническим проблемам разработки полезных ископаемых (М., 1988 г.), на научно-методологическом семинаре ИПКОН АН СССР (1970, 79, 84 гг.), а также экспонировались на ВДНХ СССР (1972, 82, 89 гг.).
Публикации. Обобщенные в монографии материалы были ранее опубликованы в 75 печатных работах, в том числе в двух справочниках-монографиях, пяти брошюрах и 68 научных статьях.
Объем работы. Диссертация-монография состоит из введения и девяти глав, содержит 260 стр., включая 119 рисунков, 29 таблиц и список основных литературных источников из 53 наименований.
Автор глубоко признателен' своему учителю и руководителю покойному академику В.В.Ржевскому за тот путь, на который был наставлен три десятка лет назад и ни разу не имел повода пожалеть об этом, а также руководителям ИПКОН РАН академику Н.В.Мельникову, чл.-корр. Д.М.Бронникову, академику К.Н.Трубецкому, которые всегда поддерживали данное направление и много сделали для его аппаратурного и кадрового обеспечения.
Автор выражает искреннюю благодарность коллективу, которым ему довелось непосредственно руководить и в который на разных этапах входили научные сотрудники А.И.Цыкнн, И.Б.Сафронова, А.С.Панишев и инженеры Е.И.Буневицкая, А.А.Гусев, В.П.Иванов, Ю.Б.Одиноков, Н.Н.Дунаев, и всем товаришам, привлекавшимся для выполнения экспедиционных работ, а также администрации и техническим службам горных предприятий, на которых проводились экспериментальные исследования.-
Особая признательность ответственному редактору монографии — академику К.Н.Трубецкому.