Прогноз прочности и устойчивости пород в подземных выработках с учетом изменчивости фрактальных характеристик и свойств массива : на примере месторождения "Юбилейное"

• Автор: Мартюшов, Кирилл Сергеевич
• Шифр специальности: 25.00.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
1.1. Теории прочности и разрушения горных пород
1.2.Устойчивость горных пород в подземных выработках
1.3. Методы исследования свойств и состояния горных пород и массивов
1.4. Фрактальные характеристики горных пород и массивов
1.5. Методы прогноза свойств и разрушаемое™ горных пород
1.6. Инженерно-геологические исследования месторождения «Юбилейное»
1.7. Цель и задачи исследований
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ
2.1. Объекты и методы исследований
2.2. Статистические закономерности распределения свойств горных пород
2.3. Взаимосвязи свойств горных пород и методика их прогнозирования
2.4. Формирование компьютерного банка данных
3. ПРОГНОЗ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА
3.1. Задачи прогноза
3.2. Ультразвуковые исследования трещинной структуры горных пород
3.3. Методика и результаты прогнозирования степени нарушенности породного массива
3.4. Паспорт прочности породного массива
3.5. Деформационные свойства массива как характеристики его структурных особенностей
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОДНОГО МАССИВА
4.1. Тренд-анализ свойств и состояния горных пород и массивов
4.2. Прогноз прочности породного массива
4.3. Прогноз устойчивости подземных выработок с вероятностных позиций и на основе теории информации
4.4. Оценка параметров и эффективности процессов разрушения горных пород при проходке выработок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ
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.
Полученная информация должна быть направлена на решение важнейших задач прогноза устойчивости горных пород в выработках и эффективности разрушения пород в горной технологии. Методам прогнозирования применительно к горному делу посвящено достаточно большое число исследований. Однако единых работоспособных методик до настоящего времени не создано. Это обусловлено крайней неоднородностью свойств и состояния породных массив, исключающей детерминированные оценки и требующие сугубо вероятностного подхода. С другой стороны разработка достаточно надежных методов прогноза и проектирования процессов разрушения пород в горной технологии сдерживается отсутствием единой теории прочности и многообразием точек зрения (теоретических схем) разрушения пород взрывом и механическими инструментами. В этой связи предлагаемые исследования, направленные на прогнозирование прочности и устойчивости горных пород и массивов являются актуальными.
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 с помощью ультразвуковых исследований.
Задачи исследований:
1. Изучение комплекса свойств горных пород и их взаимосвязей для условий медно-колчеданного месторождения «Юбилейное».
2. Анализ результатов скважинных исследований породного массива с целью прогноза его прочности и степени нарушенное™.
3. Совершенствование методов тренд-анализа свойств и состояния горных пород и массивов.
4. Разработка методики прогноза устойчивости подземных выработок с вероятностных позиций и на основе теории информации.
5. 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, корреляционного и тренд-анализа; оценка результатов с позиций теории информации, инженерной геологии, физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.
Защищаемые научные положения:
1. Основой прогноза прочности и разрушаемое™ горных пород служат установленные соотношения скоростей упругой волны в массиве и образце, учитывающие влияние горного давления на деформационные характеристики пород.
2. 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.
3. 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.

Построение огибающей кругов напряжений Мора производится по уравнению:

(2оР - 2л/°р(°с* + °р) + асж ) (стр + <4 (2-9)
величина сцепления определяется по формуле:

= у[КР, (2.10)
угол внутреннего трения:

= (2.11) 2л/р
к = 2аР -2Л/ар(°сж +°р) +Ссж- (2-12)
Испытания на срез со сжатием производилось в соответствующих матрицах (ГОСТ 21153.5-85) на цилиндрических образцах с высотой, равной диаметру. Разрушающая нагрузка определялась на гидравлическом прессе с ценой деления 100 Н. Разрушающие напряжения среза и сжатия определялись по формулам:

То-соь©; а0=—ьт©, (2.13)

где 5 - площадь среза образца;
Р - разрушающая нагрузка при соответствующем угле среза 0.
Путем линейной аппроксимации опытных точек производилось построение огибающей кругов предельных напряжений и определялись величины сцепления и угла внутреннего трения. В таблице единичных значений нагрузок вычислялись средние арифметические и коэффициенты вариации опытных данных при каждом угле среза. Построение паспортов прочности производилось с помощью специально разработанной компьютерной программе.
Скорость распространения упругих колебаний определялась с помощью импульсного ультразвукового прибора У КБ-1м путем измерения времени распространения сигнала (с точностью 0,1 мкс)? на базе Ь
С = ~. (2.14)

В зависимости от соотношения радиуса образца г и длины волны X определялась скорость распространения продольной волны в массиве См (г/Х> 0,6) и стержне Сет (г/Х> 0,2). Условия массива и стержня выполнялись путем «прозвучивания» образцов на разной частоте колебаний (соответственно 150 кГц и 25 кГц).
Динамические упругие характеристики горных пород (модуль упругости Е и коэффициент Пуассона у) вычислялись из известных соотношений теории упругости: