Розробка методу та засобів контролю структурної порушеності масиву, які базуються на ефектах викликаної поляризації гірських порід

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка методу та засобів контролю структурної порушеності масиву, які базуються на ефектах викликаної поляризації гірських порід

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гірський порода поляризація

Актуальність теми. Ефективна і безпечна робота підземних гірничодобувних підприємств, з урахуванням постійного зростання глибини та погіршення гірничо-геологічних умов розробки родовищ, потребують системного контролю властивостей і діагностики стану продуктивної частини літосфери. З точки зору геомеханіки підтримки і охорони гірничих виробок, до числа найбільш значущих характеристик масиву гірських порід відноситься його тріщинуватість, що складається із тріщин природного походження та областей масиву, порушених тектонікою, а також тріщин техногенного походження, що формуються в зонах розвантаження та непружних деформацій, викликаних перерозподілом сил гірського тиску. Наявність зазначених тріщин, об'єднаних терміном “структурна порушеність”, послаблює міцність порід та збільшує деформації масиву. Наслідком таких процесів є втрата стійкості масиву, обвалення покрівлі, вивали або утворення заколів та відшарувань, зростання тиску на кріплення виробок аж до втрати його несучої здатності та цілий ряд інших негативних геомеханічних явищ, у тому числі динамічних і газодинамічних.

Оцінка структурної порушеності масиву виконується, як правило, або оптико-візуальним контролем в свердловинах, або методом гірничої геофізики. Однак, перший метод - досить затратний, трудомісткий і суб'єктивний. З методів гірничої геофізики використовуються, в основному, методи ультразвукового контролю (УЗК) або електрометрії (ЕМ). До недоліків методу УЗК відносяться низька оперативність і глибина вимірів, необхідність буріння шпурів, а також жорсткі вимоги до умов контакту “датчик-середовище”. Стосовно методу ЕМ, то маючи ряд переваг, він істотно усереднює флуктуації поля, у тому числі викликані тріщинуватістю, що зводить до мінімуму роздільну здатність методу по відношенню до структурної порушеності гірського масиву.

Дослідження показали, що ефективний метод діагностики структурної порушеності масиву можна розробити на основі явищ викликаної поляризації (ВП) порід, зокрема, контролю її перехідних процесів. Особливість такого підходу полягає в тому, що, маючи всі переваги методу ЕМ, метод ВП дозволяє вивчати петрофізичні та структурні особливості породного масиву, включаючи всі градації тріщинуватості. Тому дослідження перехідних процесів викликаної поляризації у гірських породах, розробка на їх основі методу і засобів, які істотно підвищують достовірність результатів контролю структурної порушеності масиву, є актуальним науковим завданням, що має важливе значення для гірничодобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до держбюджетних тем ІГТМ НАН України: “Розробити фізичні основи контролю властивостей і стану гірського масиву при веденні очисних робіт”, № держреєстрації 02900020182; “Наукові основи керування і контролю стійкості боків і підошов гірничих виробок з анкерним кріпленням нового технічного рівня”, № держреєстрації 0103U004309; “Розробити методику комплексних досліджень і геомеханічну модель руйнування вуглепородного масиву навколо підготовчих виробок, провести аналітичні дослідження процесів формування і проявів гірського тиску”, № держреєстрації 0107U006037, в яких автор був відповідальним виконавцем етапів робіт.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи: розробити метод і засоби ефективного контролю структурної порушеності масиву, що базуються на реєстрації перехідних процесів викликаної поляризації гірських порід у змінних електричних полях, які підвищують інформативність і достовірність діагностики стану та властивостей масиву гірських порід.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні завдання:

- установити взаємозв'язок перехідних процесів ВП у гірських породах з структурною порушеністю масиву залежно від його напружено-деформованого стану та основних фізичних і геологічних характеристик;

- розробити теоретичні передумови діагностики структурної порушеності масиву методом ВП;

- розробити методичні основи та засоби діагностики структурної порушеності і напруженого стану масиву гірських порід методом ВП;

- перевірити ефективність методично-апаратурних розробок в натурних умовах при розвязуванні завдань контролю структурної порушеності і геомеханічного стану масиву гірських порід.

Ідея роботи полягає у використанні характеристик перехідних процесів ефекту викликаної поляризації гірських порід як інформативних параметрів контролю структурної порушеності масиву.

Об'єкт дослідження - явища електризації в напруженому структурно порушеному масиві гірських порід.

Предмет дослідження - методи контролю структурної порушеності масиву гірських порід, що базуються на ефекті викликаної поляризації порід, та засоби їх реалізації.

Методи дослідження. В роботі використано комплексний метод досліджень, що включає аналіз і узагальнення розробок у даній галузі науки і техніки, теоретичні дослідження, що базуються на методах класичної електродинаміки; лабораторні та шахтні експериментальні дослідження з використанням промислових та дослідних зразків апаратури.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- зростання тріщинуватості гірських порід призводить до зменшення перехідних характеристик і поляризаційної ємності викликаної поляризації за параболічною залежністю та збільшення швидкості спаду викликаної поляризації - за лінійною, що обумовлено падінням електрокінетичного потенціалу зі збільшенням тріщинувато-порового простору і зменшенням кількості рідини, яка переноситься при нормованій зовнішній напруженості електричного поля;

- в області пружних деформацій підвищення механічних напружень призводить до збільшення абсолютних значень перехідних характеристик викликаної поляризації, що є наслідком зростання електрокінетичного потенціалу середовища, при цьому кількісні співвідношення визначаються механоелектричним модулем породи, який є коефіцієнтом пропорційності між напруженням і виникаючим при цьому зарядом, обумовленим ефектами електризації порід, та параметрами поляризуючого електромагнітного поля.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлено закономірності змін характеристик перехідних процесів викликаної поляризації гірських порід, руд і вугілля від параметрів тріщинуватості масиву;

- вперше встановлено взаємозв'язок параметрів перехідних процесів викликаної поляризації з напружено-деформованим станом породного масиву, для оцінки якого методом викликаної поляризації запропоновані коефіцієнти механоелектричного зв'язку і електромеханодеструкції;

- подальший розвиток набули дослідження впливу факторів, які формують структуру масиву та ефекти викликаної поляризації гірських порід, запропонована фізико-математична модель, що враховує електродинаміку взаємодії електричних зарядів з мікротектоноструктурними елементами середовища, які покладені в основу розробленого методу контролю структурної порушеності масиву.

Наукове значення роботи полягає в розвитку існуючих уявлень про особливості проявів електрокінетичних явищ і встановленні закономірностей змін параметрів перехідних процесів викликаної поляризації в структурно порушених напружених гірських породах.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено способи та створено технічні засоби діагностики стану масиву, які дозволяють приймати ефективні технологічні рішення при веденні гірничих робіт у зоні структурної порушеності, зокрема, використовувати при пошуку приповерхневих порожнин, контролі розвитку деформаційних процесів у зонах тектонічних порушень, оцінці геометричних параметрів структурної порушеності та геомеханічного стану вугільних пластів при переході диз'юнктивів гірничими роботами.

Матеріали увійшли складовою частиною до “Методичних вказівок з геофізичного контролю структурної порушеності масиву гірських порід” (затверджено ВВО “Союззолото” СРСР, 1986), “Методичних рекомендацій з контролю та прогнозу стану породного масиву при підробітку” (затверджено ВО “Уралзолото”, 1986); “Керівництво з контролю параметрів структурної порушеності вуглепородного масиву електрометричним методом при механізованому відпрацюванні крутопадаючих пластів” (затверджено Держкомітетом України по вугільній промисловості, 1994), “Рекомендацій з визначення геометричних параметрів структурної порушеності і геомеханічного стану вугільних пластів у зоні тектонічних порушень” та “Керівництво з оцінки геометричних параметрів структурної порушеності і геомеханічного стану вугільних пластів у зоні тектонічних порушень” (затверджено Мінвуглепромом України, 1996). Розроблено і затверджено технічне завдання на апаратуру електрометричного контролю методом ВП “ІМПУЛЬС” (ВВО “Союззолото” Мінкольормету СРСР, 1988). Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав більше 297 тис. крб. (акти затверджено ВО “Уралзолото”, 1981, 1988 р.р. та довідки про об'єми впровадження 1983, 1986, 1989, 1990 р.р.) і 64 тис. грн. (довідка про впровадження затверджена ВАТ “Павлоградвугілля”, 2008 р.).

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи забезпечуються: використанням фундаментальних положень класичної електродинаміки, механіки суцільних середовищ, електрокінетики капілярних систем; достатнім обсягом шахтних і лабораторних експериментальних досліджень, які виконано апробованими методами контролю (відносна похибка не більше 15% за умови досягнення довірчої ймовірності 0,9-0,95); застосуванням стандартних засобів вимірювання з апаратурною похибкою 2-5 %; задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; позитивними результатами впровадження розробок у виробництво.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано мету і завдання досліджень, ідею роботи, її основні наукові положення, висновки та рекомендації, розроблено програму і методику лабораторних і натурних досліджень, проаналізовано результати досліджень, обрано метод аналітичних досліджень. Автор брав безпосередню участь у виконанні теоретичних і експериментальних робіт, розробці нормативно-технічних документів, впровадженні результатів досліджень у виробництво. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Всесоюзному семінарі з вимірювань напружень в масиві гірських порід у м. Новосибірську (1976); Всесоюзній конференції з фізики гірських порід і процесів у м. Москві (1984); II, III, IV, V семінарах з гірничої геофізики в м. Сухумі (1983), м. Батумі (1985), м. Боржомі (1987), м. Телаві (1989); VII Міжнародному конгресі з маркшейдерської справи в м. Ленінграді (1988); Всесоюзній науково-технічної конференції з теорії і практики проектування, будівництва і експлуатації високопродуктивних підземних рудників у м. Москві (1990); Всесоюзному науково-технічному семінарі з проблем гірського тиску на великих глибинах при веденні підземних і відкритих робіт у м. Кривому Розі (1990); II республіканській науково-технічній конференції з проблеми безпечної розробки калійних родовищ у м. Солігорську (1990); IX, XIV конференціях “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами та динамічні явища в гірничих виробках” у м. Алушті (2003, 2006).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 21 роботі, 8 з яких - у наукових фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, містить 188 сторінки машинописного тексту, у тому числі 53 рисунків і 13 таблиць, включаючи список використаних джерел з 137 найменувань і 2 додатки на 33 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Виконаний у першому розділі аналіз стану питання “Структурна порушеність масиву гірських порід, методи і засоби її контролю” показав, що інтенсифікація гірничого виробництва призводить до зростання негативних явищ у вигляді обвалень покрівлі, раптового здимання підошви виробок, викидів вугілля та газу, які істотно знижують техніко-економічні показники та безпеку роботи підприємств. Зазначені процеси, багато в чому, обумовлені структурною порушеністю масиву, яка включає тріщини природного походження, області масиву порушені тектонікою, а також тріщини техногенного походження, що формуються в зонах розвантаження та непружних деформацій, викликаних перерозподілом сил гірського тиску. Особливу небезпеку представляють динамічні процеси розвитку структурної порушеності, наприклад, при активізації зрушень породного масиву, що провокують обвалення земної поверхні.

Найбільший внесок у вивчення властивостей і геомеханічного стану масивів гірських порід внесли вчені гірничих шкіл Санкт-Петербурга, Москви, Дніпропетровська, Новосибірська, Донецька, Кривого Рога, Катеринбурга, Фрайберга. В останні роки значних успіхів у цій області досягли фахівці з Польщі та Китаю. У роботах зазначених шкіл відзначається, що найбільш проблематичними є питання геометризації і контролю структурної порушеності масиву гірських порід. При цьому відзначається, що підвищити ефективність технологічних заходів можливо тільки при наявності достовірної та оперативної інформації про властивості і стан гірського масиву. Цим критеріям повною мірою задовольняють методи гірничої геофізики - галузі науки, спрямованої на вирішення завдань гірничого виробництва, пов'язаних з контролем властивостей і діагностикою стану породних масивів шляхом вивчення взаємодії їх з різними фізичними полями. Пріоритет розробки та впровадження методів гірничої геофізики належить вченим і фахівцям МДГУ, ІГС ім. О.О. Скочинського, ВНДМІ, НВО "Сибкольорметавтоматика", НВО "Рудгеофізика", ГІ КФ РАН, ІГТМ НАНУ, НГУ, ПНДВІ, ДонНДІ, ДонНТУ, ГНДГРІ, КТУ, КазПІ та інших організацій.

З розроблених і апробованих методів гірничої геофізики вирішенню завдання діагностики структурної порушеності задовольняють два методи: ультразвуковий та електрометричний. До недоліків першого відносяться низька оперативність і глибина дії, необхідність виконання бурових робіт, жорсткі вимоги до умов контакту “датчик-середовище”. Стосовно методу ЕМ, то маючи ряд переваг, він істотно усереднює флуктуації поля, у тому числі викликані тріщинуватістю, що зводить до мінімуму його роздільну здатність по відношенню до структурної порушеності гірського масиву. Встановлено, що за критеріями інформативності, оперативності та працевтрат позитивно виділяється метод, що базується на ефекті ВП гірських порід, використання якого стримується через відсутність або незавершеність розробок фізико-теоретичної і апаратурно-методичної баз.

У другому розділі “Лабораторні дослідження електризації гірських порід і вугілля” для встановлення взаємозв'язку ефекту ВП гірських порід, зокрема, його перехідних процесів, із структурною порушеністю масиву в залежності від основних фізико-геологічних характеристик і напружено-деформованого стану вивчені електродинамічні процеси, що відбуваються у середовищі в реальному масштабі часу. Було розроблено методику та устаткування, які дозволили на новому якісному рівні вивчити електрокінетичні явища і механоелектричні ефекти в широкому частотному діапазоні з виміром амплітудно-фазових і амплітудно-часових характеристик монолітних і порушених зразків гірських порід, руд і вугілля Центрального, Західного та Східного районів Донбасу, Березівського золоторудного, Північно-Уральського бокситового і Микитівського ртутного родовищ. Дослідження виконано на установці, що складається з герметичної ємності, у середині якої є два електроди, закритих напівпроникною оболонкою із брезенту і притискних гвинтів, які переміщуються по напрямних, вимірювального підсилювача з високим вхідним опором і мінімальною величиною перехідної ємності. Вивчення явищ електризації в процесі руйнування порід при різних режимах навантаження проведено на випробувальній машині підвищеної жорсткості, основу якої складають прес ПСУ-500 і додатковий силовий агрегат, що підтримує заданий рівень бічного розпору в діапазоні від 0 до 20 МПа. У процесі навантаження електрофізичні і деформаційні параметри записували безперервно в трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Електромагнітні властивості гірських порід вимірювали в діапазоні від 20 Гц до 20 кГц методом Q-метра на зразках, виготовлених у вигляді плоскопаралельних пластинок товщиною 5-9 мм із In-Ga металізацією поверхні. Визначення фізико-механічних характеристик порід виконано відповідно до діючих стандартів.

Методика лабораторних досліджень полягала в подачі прямокутних електричних імпульсів через комутатор і електроди на досліджуваний зразок гірської породи. У паузах між імпульсами двохпроменевим осцилографом реєструвалося нестаціонарне електричне поле, що залишалось в зразку після вимикання струму в ланцюзі живлячих електродів, а також поле під час пропускання поляризуючого струму. Через нерівномірність амплітудно- і фазочастотних характеристик, для порівняння результатів вимірів перехідних характеристик ВП застосовано принцип нормування. Це дозволило врахувати вплив різних факторів, а також дослідити динамічні характеристики перехідних процесів ВП.

За результатами досліджень встановлено, що максимальна поляризація спостерігається в мінеральних утвореннях із розвинутою системою розділу електронних провідників і електроліту, особливо в зразках, відібраних із зон тектонічних порушень з підвищеним вмістом сульфідного матеріалу. Поляризованість гірських порід, що не містять включень руди і не підлягали гідротермальним змінам, є досить постійною і не перевищує 1-3 град. На електропровідність і діелектричну проникність монолітних і структурно порушених гірських порід у змінних електромагнітних полях визначальний вплив має система та кількість струмопровідних каналів. Причому величина цих характеристик залежить від тріщино-порової структури та вологості порід, а дисперсія є лінійною.

Вивчення впливу складу та мінералізації порової вологи на величину електрокінетичних ефектів і перехідних процесів ВП показало, що найбільші зміни перехідних характеристик ВП спостерігаються при вологості 0,3-1,8 %. Збільшення концентрації мінералізації призводить до росту провідності порід, релаксації струму і, як наслідок, зниженню перехідних характеристик ВП порід. В значній мірі величина перехідних характеристик ВП гірських порід, руд і вугілля визначається параметрами тріщино-порового простору зразків. Так, збільшення кількості тріщин на одиницю об'єму (d_n=d/d₀) призводить до зниження перехідної характеристики (F(t)) і величини поляризаційної ємності зразків за нелінійним законом. Була підтверджена електрокінетична природа явищ, що проходять у двофазних середовищах з порушеною структурою.

Встановлено, що в тонкопористих, макропористих, капілярно-пористих або тріщинуватих гірських породах, коли основна маса вологи, що втримується в них, перебуває у зв'язаному стані, перехідні процеси ВП залежать від величини питомої поверхні контактування, а закономірність їхніх змін описується лінійними рівняннями. У породах основна маса вологи, що втримується в них, перебуває у зв'язаному стані. З урахуванням структурної дезінтеграції двофазного середовища (D) і показників анізотропії (л) перехідних процесів ВП, останні змінюються за нелінійним законом, причому функція порушення електричного поля враховує дію, як зовнішніх полів, так і електричний відгук породи. Підкреслимо, що врахування анізотропії необхідне при геометризації зон структурної порушеності породного масиву.

Рівняння регресії для графіків мають вигляд:

F(t)=a d_n²+b d_n+c (a=0,02; b=-0,43; c=2,08 - для сланців, a=0,07; b=-0,85; c=3,01 - для вугілля, a=0,0075; b=-0,155; c=0,88 - для діоритів); л_n=а D²+b D+c (a=0,024; b=-0,304; c=2,15); л_t=avD+b (a=0,18; b=0,92).

Вивчено закономірності змін перехідних характеристик ВП гірських порід в режимах одновісного та об'ємного нерівнокомпонентного стиску. Встановлено, що з підвищенням напружень в області пружних деформацій спостерігається збільшення абсолютних значень перехідних характеристик ВП, яке пов'язане із зростанням електрокінетичного потенціалу. При цьому ступінь зміни властивостей порід характеризується коефіцієнтом механоелектричного зв'язку (), що є коефіцієнтом пропорційності між прикладеним до зразка механічним зусиллям і виникаючим при цьому зарядом.

Виявлено характер змін швидкості спаду ВП із зміною ступеня порушеності зразків гірських порід і вугілля: в першому випадку аналізували зразки із зони дроблення з розвинутою тектонічною структурою, у другому - монолітні зразки з рідкою системою окремих тріщин. З урахуванням виявленої закономірності для характеристики стану середовища введено коефіцієнт електромеханодеструкції, що дозволяє оцінити стан і властивості масиву гірських порід з розвинутою системою тріщинуватості шляхом безпосередніх визначень швидкостей спаду ВП:

,

де - швидкості спаду ВП та модулі пружності зразків порід з тектонічно порушеним і монолітним середовищем відповідно.

Встановлені закономірності змін перехідних характеристик ВП, що базуються на електрокінетичних явищах у двофазному середовищі з порушеною структурою, створюють передумови для розкриття механізму утворення аномальних зон розривних тектонічних порушень і розробки принципів інтерпретації результатів шахтних спостережень.

У третьому розділі “Теоретичні передумови діагностики стану масиву гірських порід методом контролю перехідних процесів ВП” виконано аналітичні дослідження, що базуються на фундаментальних розробках С.М. Шейнмана, В.В. Кормільцева та В.С. Мелентьєва, в основі яких лежать розрахунки електромагнітних полів у середовищах, що поляризуються, з урахуванням основних рівнянь і законів електродинаміки.

Для моделі структурної порушеності, представленої у вигляді еліпсоїда обертання, отримано вирази для компонентів електромагнітного поля, що дозволяють обґрунтувати спосіб виміру градієнтности поля, а також врахувати вплив вектора градієнта на реєстрацію поля та відбиття елементів з порушеною структурою: властивостей моделі, відстані до неї і параметрів її елементів.

Для розрахунку аномального ефекту від зони структурної порушеності встановлено її вплив на закономірність зміни розподілу електромагнітних полів у дефектному середовищі. Розрахунок напруженості вторинного електромагнітного поля над розривом кінцевої величини представлено у вигляді контакту двох берегів порушення, що створені дислокацією типу “скид”.

Для різних типів структурної порушеності розраховано типові криві для моделей, що охоплюють практично весь діапазон електрофізичних властивостей гірських порід, із чого виходить, що аномальні прояви перехідних процесів ВП значною мірою залежать від впливу величини структурної порушеності гірських порід (тріщино-порового простору), анізотропії середовища і рівня механічного напруження. Цей результат підтверджується експериментальними даними, що вказують на значну питому вагу, внесену порушеністю структури на параметри амплітудно-часових спектрів. Отримані результати використані при параметризації малоамплітудних тектонічних порушень і оцінці стану масиву гірських порід.

У результаті розвитку уявлень про вплив структурної порушеності гірських порід і напруженого стану на перехідні процеси ВП, створено теоретичні передумови застосування методу для контролю напружено-деформованого стану середовища та отримані рівняння, що зв'язують геометричні параметри структурної порушеності і фізико-механічного стану з електрофізичними властивостями масиву гірських порід. Для кількісного зв'язку перехідних характеристики ВП гірських порід з напружено-деформованим станом масиву введено коефіцієнт механоелектричного зв'язку, який є мірою пропорційності між пружними властивостями гірських порід і динамічними параметрами поляризації, що виникає в деякому об'ємі середовища. Отримані рівняння, що зв'язують перехідну характеристику ВП породи з параметрами її напружено-деформованого стану для областей пружного деформування, граничних та позаграничних напружень, у відповідності до кривої у = f (F(t)) (рис.3). Зокрема, для ділянки пружного деформування (АB):

;

для ділянки граничних напружень (BC):

;

для ділянки позамежних напружень (СD):

, _n0,

де у_сж - межа міцності на стиск; у_y, у_с - напруження в області пружних деформацій і залишкової міцності; F₀, F_y, F_п, F_с, ₀,_y, _n, _c - перехідні характеристики ВП та коефіцієнти Пуассона при нульовому напруженні, в області пружних деформацій, в граничній і області залишкових напружень, відповідно.

Показано, що оцінку напружено-деформованого стану масиву за комплексом геофізичних показників порід необхідно проводити використовуючи кусочно-лінійну апроксимацію. При цьому увесь можливий розмах змін параметрів ділять на декілька інтервалів, а залежності апроксимують лінійними відрізками в середині цих інтервалів. Таким чином можна врахувати нелінійності складної форми поліномами низьких ступенів, що значно спрощує вирішення зворотних задач контролю тріщинуватості та напруженого стану породного масиву.

В четвертому розділі “Розробка методичних основ і засобів контролю структурної порушеності масиву гірських порід методом ВП” викладено методично-апаратурні розробки даної роботи.

Суть розробленого методу полягає в наступному. На вимірювальному профілі розбивають систему пікетів спостережень, відстань між якими розраховується залежно від необхідної детальності досліджень. У процесі шахтних вимірів прийомні електроди мають бути розташовані так, щоб було можливо прослідити зміну перехідних процесів ВП в різних напрямках. На попередньому етапі вимірів визначають рівень нормального поля досліджуваного масиву гірських порід і виділяють ділянки, на яких величина перехідних характеристик ВП значно менше нормального фону. При цьому найбільш структурно порушеними вважаються ті ділянки, де амплітуда перехідних характеристик ВП досягає мінімальних значень. Параметри структурно порушеного масиву оцінюються по діаграмах анізотропії, оскільки в реальних умовах породи неоднорідні, тому напрямок шаруватості може бути довільним, а коефіцієнт анізотропії в площині шаруватості не дорівнювати одиниці. Далі вимірюється питомий опір (с_k) і перехідні характеристики ВП. Залежно від орієнтування установки, якою визначається с_k, коефіцієнт анізотропії визначають з рівняння:

,

де N - визначається з номограм; - кут між напрямком спостережень і шаруватістю масиву.

Методичні прийоми комплексного контролю напруженого стану масиву гірських порід методом ВП полягають у наступному. Відібрані на досліджуваній ділянці зразки порід піддають механічним випробуванням з визначенням коефіцієнтів механоелектричного зв'язку. Установлюють залежності , в областях пружного деформування, граничного та позаграничного стану. Після чого визначаються границі тріщинуватості, аномально високого гірського тиску та області пружних деформацій. Виміри проводять на ряді фіксованих частот, вибираючи частоту, на якій для даного типу порід реєструють максимальні відмінності параметрів перехідних характеристик ВП.

Для контролю розвитку деформаційних процесів при підробітку масиву гірських порід виконують структурно-геодинамічне картування порушених зон шляхом періодичних режимних вимірів, які полягають у попередній підготовці пунктів спостережень, розміщенні на них електродів, вимірі амплітудно-часових спектрів ВП, електропровідності, розрахунку параметрів геоелектричного розрізу і його побудови за результатами спостережень. Про місце розташування зон деформації судять по полярних діаграмах анізотропії та аномальним проявам спостережуваних значень перехідних процесів ВП.

Інтерпретація результатів натурних спостережень базується на спільному аналізі карт геологічного матеріалу про розподіл електрофізичних властивостей у гірському масиві і результатів натурних визначень параметрів перехідних процесів ВП. Інтерпретація полягає у вирішенні зворотних задач електрометрії, стосовно до апроксимації тіл правильної геометричної форми. При визначенні положення структурної порушеності, як діагностичні ознаки розглядаються параметри перехідних процесів ВП і характер їхніх змін на ділянках масиву при різних розмірах зондуючих установок та орієнтації вимірювальних ліній щодо елементів залягання очікуваної структурної порушеності масиву гірських порід. Вважаючи, що зі зміною інтенсивності тріщинуватості змінюються характеристики і амплітудно-часові спектри перехідних процесів ВП, місце розташування порушення визначається як центр аномалії.

Оскільки в гірничих виробках через обмежений доступ до масиву мережа спостережень розташовується нерівномірно, в роботі отримали розвиток способи подання якісних і кількісних геолого-геофізичних даних у вигляді “карт-фактів” з урахуванням розподілу пунктів визначення ознак. Спільний розгляд “карт геологічних фактів”, характеристик перехідних процесів ВП і електропровідності є основою побудови сплайн-поверхні, ізоліній і графіків, за якими виконується геомеханічна оцінка стану масиву гірських порід. Побудова сплайн-поверхні виконується на підставі рельєфного відображення на контурі конкретної точки . Переважне поширення кількісної ознаки представляється у вигляді функції:

,

де (x_i+k, y_j+l) (k,l = 0, 1,…n) - координати вершин елементарного прямокутника Щ_ij; f(x_i+k, y_j+l) (k,l = 0, 1,…n) - значення функції f у вершинах елементарного прямокутника Щ_ij; (x,y) - поточні координати довільної точки, яка знаходиться в елементарному прямокутнику Щ_ij; , - параметри сторін елементарного прямокутника Щ_ij.

Застосування графічних методів обчислювальної геометрії дозволяє вивчити поведінку в області , а також виконати попередню підготовку числового масиву даних для кількісних розрахунків по перетинах сплайн-поверхні в будь-якому зручному напрямку з мінімальною похибкою.

Для реалізації методу діагностики структурної порушеності в натурних умовах розроблено технічні засоби контролю методом ВП. Засоби дозволяють пропускати через масив пачки імпульсів струму різної частоти, реєструвати складові електромагнітного поля в паузах між імпульсами та аналізувати амплітудно-часові спектри перехідних характеристик ВП. Апаратура, що вимірює динамічні параметри спаду ВП, по яких розраховуються перехідні характеристики , швидкість спаду () і постійна спаду ВП, має наступні технічні характеристики:

Датчики виконані у вигляді електричних диполів і складаються з еластичних грушоподібних склянок, закритих із зовнішньої сторони напівпроникною оболонкою із брезенту і заповнених поролоном, просоченим агар-агаром. Для безконтактного виміру розроблено датчик, що містить розімкнутий магнітопровід, два замкнутих магнітопроводи і приймальні котушки, що підключаються до входу вимірювального пристрою. Це дозволяє виконувати дослідження в шпурах або свердловинах при високому рівні перешкод від шахтної електромережі.

У п'ятому розділі “Діагностика стану масиву гірських порід методом перехідних процесів ВП” наведено результати перевірки ефективності методичних розробок та засобів при вирішенні виробничих завдань, пов'язаних з контролем структурної порушеності та геомеханічного стану масиву гірських порід в умовах золоторудних шахт “Південна” і “Північна” ВО “Уралзолото”, вугільних шахт ДП “Артемвугілля”, “Орджонікідзевугілля”, ВАТ “Павлоградвугілля” і АП “Шахта ім. О.Ф. Засядька”, а також Микитівського ртутного родовища.

Зокрема, трасування малоамплітудних тектонічних порушень виконано при визначенні просторового положення порушень типу насуву та скиду на шахтах Центрального району Донбасу “Червоний Профінтерн”, “Юнком”, ім. К. Маркса. Оцінка геометричних параметрів структурної порушеності і напружено-деформованого стану, при переході зон тектонічних порушень, виконано на шахтах ім. Гагаріна ДП “Артемвугілля” і ім. Героїв Космосу ВАТ “Павлоградвугілля”.

На АП “Шахта ім. О.Ф. Засядька” при дегазації виїмкових стовпів на ділянках з асиметричною антиклінальною мікроскладчастістю виконано комплекс робіт з визначення просторової орієнтації тріщинуватості вуглепородного масиву для раціонального розташування дегазаційних свердловин, а також для оцінки параметрів гідродинамічного впливу при виконанні робіт з інтенсифікації дегазації вугільних пластів.

В умовах шахт “Південна” і “Північна” ВО “Уралзолото” були вирішені завдання виявлення структурної порушеності для вибору оптимального розташування міжштрекових ціликів, визначення елементів розривних структур і дослідження поширення зон підвищеної сульфідної мінералізації, особливо при втраті “красичних жил”, з якими зв'язаний підвищений вміст золота, в результаті перетину їх порушеннями типу скид. Крім того, на руднику ім. С.М. Кірова ВО “Уралзолото” виконано уточнення місць розташування приповерхневих порожнин на 14 ділянках будівництва промислових і цивільних споруд. На підставі фактичних даних утворення вирв обвалень і результатів контролю стану масиву визначено ділянки виходу провалів на поверхню залежно від співвідношення глибин залягання рудних тіл, що відпрацьовуються, розмірів порожнин і динаміки відпрацювання нижчих горизонтів. У процесі спостережень на відроблених ділянках установлено закономірності розвитку деформацій в підробленій товщі та уточнено межі розширення зрушень на ділянках з тектонічними розривами. Аналогічні роботи проведено на кар'єрі “Західне замикання” Микитівського ртутного комбінату в процесі сумісного (підземного і відкритого) відпрацювання корисної копалини.

Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав для умов ВО “Уралзолото” більше 297 тис. крб., умов ВАТ “Павлоградвугілля” 64 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою в якій отримано нове важливе для гірничодобувної галузі рішення актуального наукового завдання: розробки ефективного методу і засобів контролю структурної порушеності та зон концентрації напружень у масиві гірських порід, що базуються на встановлених закономірностях протікання перехідних процесів викликаної поляризації в тріщинуватих і напружено-деформованих гірських породах.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

1. Установлено, що за критеріями інформативності і оперативності контролю структурної порушеності масиву з методів гірничої геофізики виділяється метод, що базується на ефектах ВП гірських порід, впровадження якого стримується незавершеністю розробок фізико-теоретичної і апаратурно-методичної баз.

2. На якісно новому рівні експериментально досліджено електрофізичні властивості гірських порід, руд і вугілля, у тому числі в напружено-деформованому стані при різних режимах стиску. Встановлено, що:

- збільшення тріщинуватості гірських порід призводить до істотних змін параметрів перехідних процесів ВП, зокрема, зменшення перехідних характеристик та поляризаційної ємності ВП і збільшення швидкості спаду, причому, перші два параметри описуються кривою другого порядку, а третій - лінійною залежністю. Показано, що ці процеси обумовлені падінням значень електрокінетичного () потенціалу при збільшенні розмірів тріщино-порового простору і зменшенні кількості рідини, що переноситься при нормованій зовнішній напруженості електричного поля;

- в області пружних деформацій підвищення стискуючих напружень збільшує абсолютні значення перехідних характеристик ВП, при цьому кількісні співвідношення характеризуються механоелектричним модулем породи, що є коефіцієнтом пропорційності між механічним напруженням і виникаючим при цьому зарядом, обумовленим ефектами електризації та впливом зовнішнього електромагнітного поля. Для опису стану середовища введено коефіцієнт електромеханодеструкції, що дозволяє описати властивості порід з розвинутою тектоноструктурною системою тріщин.

3. Теоретичними дослідженнями встановлено, що вплив структурної порушеності масиву гірських порід на ефекти ВП достовірно описується фізико-математичною моделлю, що враховує електродинаміку нескомпенсованих електричних зарядів на поверхні тектоноструктурних елементів з електромагнітним полем, сформованим знакозмінними імпульсами. Отримані рівняння, що зв'язують перехідні характеристики ВП із параметрами структурної порушеності гірських порід і напружено-деформованим станом масиву в області пружних деформацій, граничній та позаграничній областях напружень.

4. Розроблено метод та засоби контролю структурної порушеності масиву гірських порід, що базуються на ефекті ВП. Зокрема:

- запропоновано методику визначення зв'язку між електричними константами анізотропії гірських порід і просторовою орієнтацією тріщин, ступенем їхнього розкриття та заповнення;

- розроблено методику оцінки напружено-деформованого стану масиву гірських порід і запропоновано схему геодинамічного картування розвитку деформаційних процесів у гірському масиві при його підробітку;

- показана можливість визначення параметрів зональної дезінтеграції породного масиву при його підробітку по амплітудно-часових спектрах перехідних процесів ВП та динаміці їх змін при активізації зрушення;

- отримала розвиток методика обробки та просторового подання геолого-геофізичного матеріалу на основі сплайн-функцій для кількісних і якісних визначень структури масиву;

- розроблено апаратуру електрометричного контролю “Імпульс”, параметри якої допускають її застосування в широкому діапазоні гірничо-геологічних умов, та індуктивний датчик, що розширює функціональні можливості апаратури при визначенні складових електромагнітного поля.

5. Матеріали увійшли складовою частиною до “Методичних вказівок з геофізичного контролю структурної порушеності масиву гірських порід” (затв. ВВО “Союззолото” МКМ СРСР, 1986), “Методичних рекомендацій з контролю та прогнозу стану породного масиву при підробітку” (затв. ВО “Уралзолото”, 1986); “Керівництва з контролю параметрів структурної порушеності вуглепородного масиву електрометричним методом при механізованому відпрацюванні крутопадаючих пластів” (затв. Держкомітетом України по вугільній промисловості, 1994), “Рекомендацій з визначення геометричних параметрів структурної порушеності і геомеханічного стану вугільних пластів у зоні тектонічних порушень” та “Керівництва з оцінки геометричних параметрів структурної порушеності і геомеханічного стану вугільних пластів у зоні тектонічних порушень” (затв. Мінвуглепромом України, 1996). Розроблено і затверджено технічне завдання на апаратуру електрометричного контролю методом ВП “ІМПУЛЬС” (ВВО “Союззолото” Мінкольормету СРСР, 1988). Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав більше 297 тис. крб. (акти затв. ВО “Уралзолото”, 1981, 1988 р.р. та довідки про об'єми впровадження 1983, 1986, 1989, 1990 р.р.) і 64 тис. грн. (довідка про впровадження затв. ВАТ “Павлоградвугілля”, 2008 р.).

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Булат А.Ф. Электризация пород и углей при их разрушении / А.Ф. Булат, А.Т. Курносов, Ю.Н. Пилипенко // Повышение эффективности разрушения горных пород: Сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Киев: Наукова думка, 1991. - С. 121-125.

2. Пилипенко Ю.Н. Геомеханическое состояние угольных пластов при подходе очистных работ к зоне тектонических нарушений / Ю.Н. Пилипенко, С.Я. Иванчишин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 1997. - Вып. 3. - С. 186-190.

3. Пилипенко Ю.Н. Диагностика геомехнического состояния угольных пластов при подходе очистных работ к зоне тектонических нарушений / Ю.Н. Пилипенко, С.Я. Иванчишин, Ю.С. Опрышко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 1998. - Вып.4. -С.102-105.

4. Пилипенко Ю.Н. Методические особенности выполнения параметризации мелкоамплитудных тектонических нарушений в зонах с изменяющейся структурой / Ю.Н. Пилипенко, Я.М. Наливайко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 1998. - Вып. 9. - С. 164-169.

5. Пилипенко Ю.Н. Геофизический контроль напряженно-деформированного состояния угольных пластов в зонах разрывных структур / Ю.Н. Пилипенко, В.А. Мазин // Сб. науч. тр. НГА Украины - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - №6. Т.3. - С. 132-138.

6. Пилипенко Ю.Н. Методический подход к оценке устойчивости массива в зонах тектонической нарушенности угольных пластов / Ю.Н. Пилипенко, Ф.И. Чухно // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2001. - Вып. 29. - С. 66-70.

7. Пилипенко Ю.Н. Определение трещиноватости сред в натурных условиях при интенсификации дегазации угольных пластов / Ю.Н. Пилипенко, А.В. Карлов, Д.П. Гуня // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - Вып. 37. - С. 80-84.

8. Скипочка С.И. Оценка структурной нарушенности углепородного массива при дегазации зон с асимметричной антиклинальной микроскладчатостью / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2007. - Вып. 73. - С.3-10.

9. Исследование возможности оценки напряженного состояния рудного массива магнитометрическим методом / В.Т. Глушко, С.И. Скипочка, В.П. Низкошапка, Ю.Н. Пилипенко // Измерение напряжений в массиве горных пород. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976. - Ч.1. - С.96-100.

10. Пилипенко Ю.Н. Влияние петрофизических особенностей пород на геодинамическое состояние горного массива // Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. ВУЗов с участ. НИИ. - М.: МГИ, 1984. - С.14.

11. Пилипенко Ю.Н. Совершенствование методики интерпретации электрометрических измерений при исследовании напряженно-деформированного состояния горного массива / Ю.Н. Пилипенко, А.Ф. Булат // Горная геофизика: Тез. докл. науч.-техн. семинара. - Тбилиси: ИГМ АН ГССР, 1983. - С.118.

12. Пилипенко Ю.Н. Теоретические предпосылки геофизического контроля состояния горного массива / Ю.Н. Пилипенко, Н.А. Филиппова // Горная геофизика: Тез. докл. науч.-техн. семинара. - Тбилиси: ИГМ АН ГССР, 1985. - С.274.

13. К методике комплексных исследований структурной нарушенности пород и состояния горного массива / Б.М. Усаченко, А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко, В.Г. Альбрехт // Горная геофизика: Материалы всесоюзного семинара. - Тбилиси: Мецниереба, 1987. - С.62.

14. Булат А.Ф. Исследование структурной нарушенности массива горных пород по данным геофизических наблюдений / А.Ф. Булат, С.Б. Вакарчук, Ю.Н. Пилипенко // Горная геофизика: Материалы Всесоюзного семинара. - Тбилиси: Мецниереба, 1989. - С. 40-42.

15. Определение неоднородностей, карстов и пустот / В.Т. Глушко, В.С. Ямщиков, А.А. Яланский, Ю.Н. Пилипенко // Геофизический контроль в шахтах и тоннелях / В.Т. Глушко, В.С. Ямщиков, А.А. Яланский. - М.: Недра, 1987. - С. 160-169.

16. Потураев В.Н. Физико-геологические основы контроля развития деформационных процессов в массиве горных пород при подработке / В.Н. Потураев, А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко // Маркшейдерское дело и проблемы геомеханики: Материалы VII Международного конгресса по маркшейдерскому делу - Л.: ВНИМИ, 1988. - Т.XII. - С. 100-107.

17. Контроль эффективности технологических воздействий на горный массив при очистных работах / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко, А.Т. Курносов, В.И. Гаврилов // Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - М.: МГИ, 1990. - С. 138-139.

18. Пилипенко Ю.Н. Аппаратура электрометрического контроля структурной нарушенности горных пород / Ю.Н. Пилипенко // Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ: Тез. докл. науч.-техн. семинара. - Кривой Рог: НИГРИ, 1990. - С. 68.

19. Электрометрический метод прогнозирования структурной нарушенности массива горных пород в сложных горно-геологических условиях / А.Ф. Булат, С.Б. Вакарчук, Ю.Н. Пилипенко, Н.А. Филиппова, В.А. Шапиро // Тез. докл. науч.-техн. конф. - Минск, 1990. - С. 104-105.

20. Определение пространственной ориентации трещиноватости среды при дегазации углепородного массива / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня, Г.И. Колчин // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных выработках: Матер. XIII межд. науч. школы. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2003. - С. 32-34.

21. Булат А.Ф. Диагностика геомеханического состояния углепородного массива в зонах разрывных дислокаций / А.Ф. Булат, Л.И. Пимоненко, Ю.Н. Пилипенко // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных выработках: Матер. XVI Межд. науч. школы. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2006. - С.54-57.

Размещено на Allbest.ru