Геометризация геолого-технологических показателей пород для повышения эффективности горных работ на угольных карьерах

Актуальность темы

Анализ современного состояния открытого способа разработки угольных месторождений свидетельствует, что повышение эффективности и безопасности ведения горных работ на угольных карьерах во многом обусловлено рациональным использованием полноценной, объективной и оперативно полученной информации о комплексе геолого-технологических показателей, характеризующих состав, физико-механические свойства, трещиноватость и состояние горных пород. Изучение закономерностей проявления нарушенности массива и физико-механических свойств пород способствует принятию своевременных обоснованных инженерных решений, касающихся технологии горных работ и управления устойчивостью, а также позволяет разработать надежные методы прогноза геолого-технологических показателей при перспективном планировании. Поэтому исследование закономерностей проявления и изменчивости отмеченных факторов является важной задачей. Актуальность решения этого вопроса неоднократно подчеркивалась в публикациях ведущих специалистов и руководителей отрасли [108, 109]. Примером служит снижение эффективности горных работ из — за недостаточного изучения геологического строения разрабатываемого массива и свойств горных пород на карьерах КАТЭКа.

На необходимость изучения закономерностей проявления геологотехнологических показателей указывают и наши исследования. Установлено, что на угольных карьерах Экибастуза фактическая производительность вскрышных экскаваторов в 1,5−2 раза ниже нормативной. Это обусловлено низким качеством взорванной горной массы, в которой по проведенным исследованиям содержание крупнокусковой фракции (>120 см) составляет 33%, а мелкой (<20 см) — лишь 9%. Низкая эффективность взрывного дробления связана с тем, что в качестве исходной информации о массиве горных пород используется усредненные разведочные данные. Наши исследования показали, что учет строения, залегания, трещиноватости и физико — механических свойств массива, слагающих конкретный участок, значительно улучшают результаты взрывной подготовки горной массы. Выход крупнокусковой фракции на участке, взорванном с учетом отмеченных геологотехнологических особенностей массива снизился в 2,5 раз, а выход мелкой фракции увеличился 2,4 раза. Поэтому изучение изменения состава, свойств, строения и нарушенности массива является актуальной задачей.

Цель работы — разработка обоснования и методов оценки закономерностей изменения геолого-технологических показателей пород для повышения эффективности открытых горных работ на примере Экибастузского и Иркутского угольных бассейнов.

Идея работы. Объективная и обоснованная оценка закономерностей изменения трещиноватости и физико-механических свойств пород обеспечивается изучением парагенезиса состава, строения и свойств пород горного массива с учетом его геологического строения и тектоники методами геометрии недр и горно-геометрического анализа.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе предусматривается решение следующих задач:

— обоснование и разработка методов горно-геометрического анализа и выбор математических средств для изучения закономерностей проявления геолого-технологических показателей;

— оценка парагенетических связей трещиноватости, физико-механических свойств и петрографического состава пород с учетом особенностей их образования, геологического строения и тектонической дислоцированности участкагорно-геометрическая характеристика изменчивости геолого-технологических показателей горных пород с учетом их парагенеза и детального петрографического состава, строения массива, а также тектонической нарушенности и геологического строения участка;

— типизация пород и районирование горного массива по изменчивости основных геолого-технологических показателей;

— совершенствование методов изучения трещиноватости массива и кусковатости взорванной горной массы в карьере на основе современных способов и средств;

— использование результатов исследований для совершенствования технологии буровзрывных работ.

Методы исследований. При выполнении исследований использовался комплекс методов, включающий натурные измерения и лабораторные испытания образцов, геологическую фотодокументацию выработок, обобщение результатов ранее проведенных исследований, а также методы математической обработки экспериментальных исследований: метод экспертных оценок, методы корреляционного анализа, теорию группировок.

Защищаемые научные положения.

1. Предпосылками и обоснованием методики изучения геолого-технологических показателей являются закономерности проявления физикомеханических свойств и трещиноватости, которые обусловлены литофациальными особенностями и составом пород, геологическим строением и тектонической нарушенностью массива. а) Закономерности проявления физико — механических свойств и трещиноватости, а именно их парагенетические связи, математически описываются в виде корреляционных уравнений, надежность которых определяется дифференциацией анализируемых показателей по генезису, петрографическому составу и выветрелости пород, по дислоцированности и строению горного массива. б) Закономерности изменения физико — механических свойств и трещиноватости в пространстве могут быть представлены интервалами с однородной (случайной) изменчивостью и разным уровнем средних значений показателей, которые обусловлены геологическими аномалиями строения массива, состава пород и залегания пластов (складками и дизъюнктивами). Интервалы с разной изменчивостью однозначно и надежно выделяются с помощью критерия однородности Д. А. Родионова.

2. Для расширения области изучения и увеличения объема информации о трещиноватости массива горных пород и кусковатости взорванной горной массы, а также для повышения безопасности непосредственных замеров на откосах целесообразно использовать методику крупномасштабной фотодокументации и современные компьютерные средства, которые обеспечивают достаточную точность определения показателей и повышают производительность и культуру труда.

3. Рациональное использование результатов горно — геометрического анализа закономерностей проявления физико — механических свойств и трещиноватости позволяют повысить эффективность буровзрывных и экскавационных работ.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем.

1. Изучены закономерности проявления геолого — технологических показателей, которые реализуются в виде парагенетических связей состава, свойств и трещиноватости и зависят от фациальных условий образования, детальности петрографического состава и выветрелости пород, от строения и тектонической нарушенности массива. Парагенетические связи геологотехнологических показателей математически охарактеризованы в виде уравнений корреляции.

2. Установлены пространственные закономерности изменения физикомеханических свойств и трещиноватости, которые представляют собой интервалы с разным уровнем средних значений и однородной (случайной) изменчивостью показателей, обусловленные геологическими аномалиями строения, состава пород и залегания пластов в районе складчатых и дизъюнктивных нарушений.

3. Разработано обоснование для: а) выбора математического аппарата оценки изменчивости геолого — технологических показателейб) прогноза показателейв) совершенствования методики изучения физико — механических свойств и трещиноватости.

4.Проведена типизация и районирование пород вскрыши Экибастузских карьеров на основании геолого — технологических показателей.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Предложены способы получения наиболее достоверных и надежных средних значений геолого — технологических показателей путем литофациальной дифференциации пород с учетом аномальности состава, строения и нарушенное&tradeгорного массива.

2. Предложены методы совершенствования изучения трещиноватости на карьерах на основе фотодокументации выработок с применением видеокомпьютерного комплекса.

3. Разработаны рекомендации по прогнозированию физикомеханических свойств и трещиноватости.

4. Разработаны рекомендации по обеспечению буровзрывных работ геолого — технологической информацией.

Достоверностьнаучныхположений подтверждается непротиворечивостью результатов общей теории горно-геометрического анализа, значительным объемом исследований и сходимостью результатов и выводов, полученных при использовании различных методов математической обработки данных, широким использованием компьютеров и апробированных программ, а также проверкой полученных результатов при их внедрении в практику ведения буровзрывных работ.

Реализация результатов работы. Результаты предварительных исследований использованы при внедрении усовершенствованной технологии взрывных работ на карьерах ПО «Экибастузуголь» — результаты детальных исследований, а также основные положения диссертационной работы будут использованы ВНИМИ при разработке нормативных документов по оценке прочностных свойств массива на угольных карьерах.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на научных конференциях студентов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института «Полезные ископаемые России и их освоение» (1997 и 1998 г.), на заседаниях кафедры (1996 — 1998 г.) и научно — технического совета ВНИМИ (1998 г.).

Исходные материалы и личный вклад соискателя. Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, базируются на данных натурных производственных наблюдений, экспресс — испытаний опробований, лабораторных исследований, проведенных на крупнейших угольных карьерах Экибастузского и Иркутского бассейнов. Данные получены в результате многолетних (1979 — 1990 гг.) исследований выполненных ВНИМИ под руководством Такранова P.A. Исследования, включающие анализ состояния вопроса, выбор математического аппарата исследований, оценку парагенетических закономерностей проявления геолого — технологических показателей, обработку первичной геологической фотодокументации откосов и анализ точности фотометода, выполнены непосредственно автором на кафедре СПбГГИ (ТУ) и во ВНИМИ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 37 таблиц, список литературы из 92 наименований.

Выводы по главе.

Математический анализ фактической изменчивости геолого-технологических показателей горных пород в пределах конкретных участков позволяет сделать следующие выводы.

1. Для характеристики степени изменчивости (стабильности) геолого-технологических показателей наиболее перспективно использование критерия однородности Родионова, который позволяет с высокой степенью надежности выделять участки с разной тектонической нарушенностью и зоны геологических аномалий, дает возможность проводить разграничение толщи вмещающих пород на однородные интервалы. В пределах участков на интервалах однородности колебания показателей физико — механических свойств и трещиноватости носят случайный характер, а средние значения показателей стабильны, о чем свидетельствуют невысокие значения коэффициента Спирмена и соответствие эмпирического закона распределения теоретическому нормальному закону.

2. Изучение закономерностей проявления и изменчивости геолого-технологических показателей необходимо вести с учетом геологического строения участка, характера тектонической нарушенности пласта, петрографического состава пород и степени выветрелости массива.

3. Поскольку в пределах выделенных однородных интервалов распределение показателей не противоречит нормальному закону, при изучении геолого-технологических показателей горных пород можно использовать аппарат теории математической статистики, а для оценки наиболее вероятных значений — среднее арифметическое и дисперсию. В результате такого подхода к геометризации геолого-технологических показателей повышается достоверность и надежность изучаемых показателей, которые используются в инженерных расчетах параметров буровзрывных работ и устойчивости массива.

4. Для характеристики тектонической нарушенности вмещающих пород целесообразно использовать относительную частоту трещин, являющуюся наиболее чувствительным показателем по сравнению с физикомеханическими свойствами пород в силу методических особенностей опробования. При изучении изменчивости пород всей вскрышной толщи по вертикали вдоль профильных линий оптимальную оценку однородности пород дают прочностные показатели.

5. Использование закономерностей проявления геологотехнологических показателей для повышения эффективности технологии открытых горных работ.

5.1. Влияние геолого — информационного обеспечения на эффективность буровзрывных и экскаваторных работ.

Первоначально определяющим звеном всего технологического процесса на карьерах являются буровзрывные работы. Качество взорванной горной массы обуславливает производительность работы экскаватора, влияет на транспортировку и отвалообразование, что в итоге характеризует техникоэкономическую эффективность горных работ. Как показали наши исследования, проведенные на угольных карьерах Экибастуза, основными геологическими факторами, влияющими на эффективность взрывного дробления горного массива являются блочное строение и трещиноватость, а также дифференцированная прочность пород, слагающих конкретный участок.

С целью изучения влияния естественной трещиноватости, ее ориентировки и частоты (размера природного блока отдельностей), а также физико-механических характеристик пород взрываемого массива на эффективность буровзрывных работ и производительность экскаватора была проведена серия опытных взрывов на карьерах Экибастуза. Взрывы проводились на различных горизонтах и участках карьерных полей, на уступах, сложенных различными породами. Всего было взорвано около 200 ООО м, в среднем в каждом опытном взрыве около 40 ООО м3. Для бурения скважин применялись станки СБШ и СВБ, для взрывания — аммонит и граммонит, для погрузки — экскаваторы типа ЭКГ с ковшом 6,3 и 8 м³.

На экспериментальных участках выделялись два блока — опытный и контрольный. В контрольном блоке буровзрывные работы осуществлялись согласно технологии, принятой в ПО «Экибастузуголь». При этом необходимо подчеркнуть, что для параметрических расчетов и создания паспортов буровзрывных работ использовались данные разведки, как правило, не отвечали геологическому строению и свойствам пород конкретного участка и блока. Опытное взрывание осуществлялось по усовершенствованной технологии, учитывающей геолого — технологические особенности конкретного взрываемого блока, физико-механические свойства и трещиноватость слагающих пород. Параметрические расчеты велись по формулам [11, 62] с использованием следующих данных: геологического строения взрываемого блоказалегания слоев и расположения наиболее крепких разностейхарактеристики систем трещин (ориентировки системы трещин в пространстве и относительно свободной поверхности борта уступа и их частоты) — результатов испытания прочности и плотности каждого слоя слагающих пород. Вся эта информация оформлялась в виде геологического приложения к паспорту буровзрывных работ (рисунок 5.1). В результате использования отмеченных данных на участках опытных блоков получена новая, отличная от контрольной сетка и конструкция взрывных скважин, уточнен удельный расход ВВ и схема инициирования зарядов.

Изучение физико-механических свойств и трещиноватости пород проводились по методике, описанной в главе 2. Трещиноватость пород взрываемого участка изучались путем массовых замеров ориентировки и частоты трещин по каждому слою. Практиковалось использование данных о трещиноватости и физико — механических свойствах на основе установленных закономерностей.

Результаты взрыва опытного и контрольного блоков сравнивались по следующим показателям:

— по параметрам кусковатости взорванной массы: а) по размеру среднего кускаб) по выходу мелкой (до 30 см) и крупной фракции (свыше 120 см) — в) по степени дробления пород;

— по удельному расходу взрывчатого вещества (ВВ);

Заходка экскаватора ЭКГ-8И № 84 ПК 18−20.

Решетка трещин трудновзрываемого слоя № 1 слоя Порода Трещиноватость Прочность, МПа Плотность р, т/м3 ориентировка систем густота трещин, см.

I II I II напл. &-СЖ.

1 Песчаник мелкозернистый карбонатный 270й Z740 195″ Z78() 80−240 100 40−240 190 40−220 150 91,0 3,5 2,5.

3 Песчаник тонкозернистый, переслаивающийся с алевролитом 260° ??70° 336° Z760 30−60 50 40−70 65 20−60 40 33,0 1,6 2,4.

4 Слабоуглистый аргиллит 260° /70° 330° Z840 15−60 30 15−130 55 15−60 25 4,0 0,3 2,3.

5 Песчаник тонкозернистый, переслаивающийся с алевролитом 285° Z750 345° Z820 30−130 90 200−300 250 35−150 110 26,0 1,6 2,4.

6 Слабоуглистый алевролит 260° Z800 205° Z800 40−60 50 50−80 60 60−70 65 8,1 0,7 2,0.

7 Песчаник тонкозернистый — - - - - 30,0 1,6 2,4.

Рис. 5.1. Геологическое приложение к паспорту буровзрывных работ.

— по показателям эффективности работы экскаватора: а) по технической производительности экскаватораб) по продолжительности рабочего цикла.

Методы определения гранулометрического состава и среднего размера куска взорванной горной массы приведены в главе 2. Размер негабаритов с1нг рассчитывали с учетом объема ковша (Уэкс) по формуле:

0,7 + 0,75).^.

Для экскаваторов типа ЭКГ-4,6, ЭКГ-6,3, ЭКГ-8И и ЭКГ-12,5 с (нг=П0−170 мм, вследствие чего размер крупной фракции, характеризующий качество ведения буровзрывных работ был принят равным 120 см.

Степень дробления массива Сф определяли по соотношению среднего значения размера природного блока (Р) и куска взорванной массы (с1к) л.

Техническая производительность экскаватора (<2, м /час.) определялась путем непосредственных хронометражных наблюдений за погрузкой горной массы при фиксировании времени заполнения и объема транспортного сосуда. Замеры времени работы экскаватора осуществлялись в различные периоды отработки всего блока. При этом время, затраченное на вспомогательные операции, не учитывалось. Таким же образом определялась продолжительность рабочего цикла (7).

При сопоставлении данных о кусковатости взорванной массы (таблица 5.1) получено, что во всех случаях на опытных блоках относительно контрольных улучшено ее качество: размер среднего куска снизился на 33%, выход негабаритов — на 60%, а выход мелкой фракции повысился на 155%.

Заключение

.

В диссертационной работе содержится решение задачи использования закономерностей изменения геолого — технологических показателей для повышения эффективности открытых горных работ.

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Изучены закономерности проявления геолого — технологических показателей на основе парагенетических связей состава, свойств и трещиноватости в зависимости от фациальных условий образования, детального петрографического состава и выветрелости пород, строения и тектонической нарушенности массива. Учет особенностей состава, свойств и строения массива пород позволил повысить тесноту полученных уравнений множественной и парной корреляции в среднем на 48%.

2. Установлены пространственные закономерности изменения физикомеханических свойств и трещиноватости. Они обусловлены геологическими аномалиями строения, состава пород и залегания пластов в районе складчатых и дизъюнктивных нарушений и представлены в виде интервалов с однородными значениями показателей, которые характеризуются случайной изменчивостью показателей и их соответствием нормальному закону распределения. Выделение интервалов с однородной изменчивостью позволяет повысить достоверность и надежность средних значений геологотехнологических показателей, используемых в различных инженерных расчетах. При сравнении статистических характеристик, полученных по всему участку в целом и при разделении на интервалы однородности, средние значения показателей и величина стандарта отклонения изменяются в 1,5 -2 раза.

3. Предложены способы получения наиболее достоверных и надежных средних значений геолого — технологических показателей путем лито фациалыюй дифференциации пород с учетом аномальности состава, строения и нарушенности горного массива.

4. Проведена типизация и районирование пород вскрыши Экибастузских карьеров на основании геолого — технологических показателей. Разработаны рекомендации по прогнозированию физико — механических свойств и трещиноватости, которые планируется использовать во ВНИМИ при составлении нормативных документов.

5. На основе установленных закономерностей изменения геологотехнологических показателей даны рекомендации по использованию получаемой информации при ведении буровзрывных работ, что позволило повысить качество взорванной горной массы и эффективность работы экскаватора. На участках опытных взрывов, проведенных по усовершенствованной технологии с использованием конкретной геологической информации на 33% снизился размер среднего куска взорванной горной массы, на 60% уменьшился выход негабаритов, на 155% повысился выход мелкой фракции и на 29% увеличилась степень дробления массива. Это привело к снижению продолжительность рабочего цикла 25% и уменьшению удельного расхода взрывчатых веществ на 15%. Рекомендации по геологоинформационному обеспечению буровзрывных работ переданы ПО «Экибастузуголь» .

7. Предложены методы совершенствования изучения трещиноватости массива на карьерах на основе фотодокументации выработок с применением видеокомпьютерного комплекса. На основании проведенных исследований были выделены группы пород, обладающие наибольшей (песчаники) и наименьшей степенью дешифрирования (аргиллиты, углистые породы, выветрелые алевролиты и матовые угли). Было установлено, что повышению точности дешифрирования снимков способствует детальная дифференциация пород по петрографическому составу, степени выветрелости и тектонической нарушенности массива.