Введение к работе
Актуальность темы.
Основой проектирования техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых служит информация о комплексе свойств горных пород и породных массивов. Получение этой информации осуществляется на стадии инженерно-геологических изысканий. При этом ее источником являются два вида исследований - изучение свойств пород по извлекаемым кернам и скважинные исследования массива. Однако зачастую эти данные существуют отдельно без должного анализа их взаимосвязи и взаимообусловленности. Поэтому актуальной научной задачей является совместное изучение закономерностей изменчивости свойств горных пород и массивов на базе статистических методов проверки гипотез, корреляционного и тренд-анализа.
Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры» (задание Федерального агентства по образованию, 2011-2013 гг.), а также в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Объект исследований - горные породы и породные массивы, разрабатываемые подземным способом.
Предмет исследований - закономерности изменчивости фрактальных характеристик и свойств пород при оценке прочности и устойчивости породного массива в подземных выработках.
Цель работы - повышение оперативности и надежности прогноза свойств горных пород, прочности и устойчивости породного массива при проектировании разработки месторождений полезных ископаемых.
Основная идея работы заключается в использовании установленных взаимосвязей и закономерностей изменчивости свойств горных пород и массивов с фрактальных позиций для оперативного прогноза их прочности и устойчивости.
Задачи исследований:
-
Изучение комплекса свойств горных пород и их взаимосвязей для условий медно-колчеданного месторождения «Юбилейное».
-
Анализ результатов скважинных исследований породного массива с целью прогноза его прочности и степени нарушенности.
-
Совершенствование методов тренд-анализа свойств и состояния горных пород и массивов.
-
Разработка методики прогноза устойчивости подземных выработок с вероятностных позиций и на основе теории информации.
-
Оценка параметров и эффективности процессов разрушения горных пород при проходке выработок.
Методы исследований: современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных пород; анализ результатов скважинных исследований породного массива; методы проверки статистических гипотез, кор-
реляционного и тренд-анализа; оценка результатов с позиций теории информации, инженерной геологии, физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.
Защищаемые научные положения:
-
Основой прогноза прочности и разрушаемости горных пород служат установленные соотношения скоростей упругой волны в массиве и образце, учитывающие влияние горного давления на деформационные характеристики пород.
-
Комплексная методика тренд-анализа, основанная на оценке статистических и фрактальных характеристик пространственных рядов как самоподобных объектов, обеспечивает прогноз изменчивости характеристик массива при ограниченном объеме выборочных данных.
-
Оценка устойчивости подземных выработок осуществляется на основе разработанной методики построения прогнозных диаграмм прочности породного массива, учитывающей фрактальные характеристики тренда и надежность прогноза, определяемую величиной энтропии системы «выработка-массив».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается:
непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям инженерной геологии, физики горных пород и геомеханики;
достаточным (с точки зрения заданного уровня надежности - 95 %) объемом и представительностью статистических выборок, явившихся основой для установления основных закономерностей, изложенных в работе;
использованием результатов ультразвукового каротажа породного массива;
учетом влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и структурного ослабления массива при оценке прочности и устойчивости пород;
апробацией и положительными результатами использования разработанных рекомендаций и методик.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
Установлена система взаимосвязей свойств ранее не изучавшихся горных пород месторождения «Юбилейное» и разработана методика их оценки по показателю скорости упругой волны.
Обоснована оценка нарушенности породного массива путем сопоставления данных УЗК-каротажа и скорости упругой волны в образцах, отличающаяся тем, что экспериментально установлено и учтено действие горного давления на величину скорости волны в массиве.
Предложен комплексный показатель свойств пород, косвенное определение которого по скорости упругой волны в массиве позволяет прогнозировать эффективность разрушения горных пород взрывом.
Разработана процедура тренд-анализа, основанная на использовании статистических и фрактальных характеристик пространственных рядов, позволяющая тиражировать выборку и выделять локальные участки тренда, обла-
дающие разными тенденциями изменчивости характеристик породного массива.
- Обоснована методика построения прогнозных диаграмм прочности породного массива на основе акустического показателя его нарушенности и с учетом фрактальных характеристик линии тренда, являющаяся базой прогноза устойчивости выработок с оценкой его надежности по изменению энтропии системы «выработка-массив».
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании методики косвенного определения свойств пород и массивов по скорости упругой волны; в обосновании методов и компьютерных программ анализа лабораторных и натурных исследований, позволяющих осуществлять прогноз нарушенности породного массива, пространственной изменчивости его прочности и устойчивости.
Фактические материалы:
результаты инженерно-геологических изысканий месторождения «Юбилейное» (скважины 1С, 2, ЗЮ, 4), предоставленные ООО «Уралгеопроект» (профессор Гуман О.М., аспирант Ворожев А.В.);
результаты лабораторных исследований свойств горных пород месторождения «Юбилейное», выполненных кафедрой шахтного строительства (по заказу 000 «Уралгеопроект»).
Личный вклад состоит в непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях свойств горных пород, в установлении статистических характеристик и взаимосвязей свойств пород месторождения «Юбилейное», в разработке методов и компьютерных программ тренд-анализа свойств и разрушаемое горных пород, в формировании основных выводов и результатов работы.
Реализация результатов работы. Комплексная методика анализа лабораторных и скважинных исследований массива, включающая косвенное определение свойств горных пород по скорости упругой волны, статистический и фрактальный тренд-анализ, прогноз прочности и разрушаемости породного массива переданы для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралмеханобр», 000 «Унипромедь-Инжиниринг». Теоретические результаты по статистическому и тренд-анализу свойств горных пород и массивов, оценке устойчивости и разрушаемости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений». - Екатеринбург: УТТУ, 2010.; на научно-технической конференции «Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле». - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 201; на 10-й Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 11-13 апреля 2012 г. - Воркута, 2012; на III Междуна-
родной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений». - Екатеринбург: УГТУ, 2013; на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета. - Екатеринбург (2010-2013 гг.).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 11 научных работах, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.
Объем и структура работы.
