Оценка устойчивости горных пород в бортах карьеров по результатам геофизических исследований скважин: На примере Эльгинского каменноугольного месторождения

Актуальность. Южно — Якутский бассейн является основной базой коксующихся и энергетических углей на востоке России. Добыча углей в бассейне составляет около 9 млн. т. в год. Около 40% добытых углей поставляется на экспорт, в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Промышленно — экономическую ценность и конкурентоспособность, как на внутреннем, так и на внешнем рынке Южно — Якутских углей во многом определяют их технологические характеристики и горно-геологические условия месторождений. Угольные месторождения Южно — Якутского бассейна отличаются особенностями горно-геологических условий: наличие островной многолетней мерзлоты, мощные угольные пласты сложного строения, изменчивость технологических характеристик углей и физико-механических свойств (ФМС) углевмещающих пород, как по площади месторождений, так и с глубиной залегания угольных пластов и т. д. В связи с этим повышаются требования к изучению не только технологических характеристик углей, но и горно-геологических условий отработки угольных месторождений, включающих в себя изучение трещиноватости горного массива и его физико-механических свойств.

В настоящее время эти показатели определяются по керновым пробам лабораторными методами. Главным требованием к геологическому опробованию вмещающих пород является получение представительной пробы, все определяемые показатели которой должны быть адекватны показателям физико-механических свойств горных пород в массиве. Однако обеспечить эти требования в процессе геологоразведочных работ оказывается трудновыполнимым: неполный выход керна или его отсутствие, избирательная истираемость или наоборот, засорение его продуктами разрушения горных пород, длительный период времени между отбором пробы и ее исследованием в лаборатории, сложности в изучении трещиноватости массива пород и т. д.

Эффективность и безопасность разработки месторождения в значительной мере зависят от надежности исходных данных, принятых при проектировании карьеров и используемых в период их строительства и эксплуатации.

Поэтому весьма актуальна проблема разработки геолого-геофизических методов определения ФМС массива горных пород с целью прогноза устойчивости горных пород в откосах бортов угольных разрезов в ЮжноЯкутском бассейне.

Диссертационная работа связана с научным направлением лаборатории «Физики мерзлых горных пород» Технического института Нерюнгринского филиала ЯГУ. Работа выполнялась по планам НИР Министерства общего и профессионального образования РФ (область «Горные науки») в рамках темы: «Построение геолого-геофизических моделей прогноза состояния и поведения массива горных пород при технологических воздействиях». 38.63.51- 38.65.17, фундаментальные исследования. Работа выполнялась в соответствии с планами научных исследований ТИ ЯГУ и по хоздоговорной тематике с предприятиями: ГГГП «Южякутгеология» («Определение показателей качества углей методами ГИС в Южно-Якутском бассейне», «Изучение горно-геологических и геокриологических условий разреза Сылахского месторождения»), ГУП «Якутуголь» («Разработка методики прогноза показателей качества углей в их естественном залегании», «Определение физико-механических свойств углевмещающих пород на Нерюнгринском месторождении пласта 5-ти метрового по геолого-геофизической методике»).

Цель работы — разработать метод оценки устойчивости горных пород в откосах бортов угольных карьеров по результатам геофизических исследований скважин.

Идея работы заключается в определении физико-механических свойств пород в массиве по данным геофизических исследований скважин и использовании их для прогноза устойчивости горных пород в откосах бортов карьеров.

Задачи исследований:

1. Проанализировать и выявить инженерно-геологические особенности условий Эльгинского каменноугольного месторождения.

2. Разработать геолого-геофизические методы определения физико-механических свойств углевмещающих пород Эльгинского месторождения в массиве.

3. Оценить трещиноватость горного массива по данным геофизических исследований скважин.

4. Выполнить прогноз устойчивости горных пород в откосах бортов карьера с использованием значений физико-механических свойств пород, определенных лабораторными методами и рассчитанных на основе разработанных геолого-геофизических методов.

5. Показать, что полученные результаты исследований позволяют более достоверно, чем при использовании традиционных методов, оценить устойчивость горных пород в откосах бортов карьера.

Объектом исследований являлись углевмещающие породы (песчаники, алевролиты и конгломераты) нижнемелового и средневерхнеюрского возраста Эльгинского каменноугольного месторождения Южно-Якутского бассейна.

Методы исследований. Реализация поставленной цели и вытекающих из неё задач осуществлялась с использованием комплекса методов, включающих анализ и обобщение известных результатов исследований, выполнение натурных и лабораторных экспериментальных исследований, обработку экспериментальных данных на основе законов физики, теорий упругости и прочности твердых тел с привлечением методов многофакторного анализа и математической статистики.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

• физико-механические свойства углевмещающих пород Эльгинского месторождения не имеют ярко выраженной литологической принадлежности и характерной зависимости от стратиграфической глубины, вследствие доминирующего влияния геотермического поля на фоне региональных термобарических условий эпигенеза угленосной формации, что связано с проявлением магматических процессов в непосредственной близости от месторождения;

• связь комплекса геофизических параметров с физико-механическими свойствами углевмещающих пород выражается многомерными корреляционными (степенными) уравнениями, учитывающими эпигенетические факторы формирования и преобразования массива горных пород;

• оценка устойчивости горных пород в бортах карьера с использованием физико-механических свойств, определенных по данным геофизических исследований скважин, является более достоверной, чем при использовании для этих целей традиционной методики лабораторных испытаний, так как геофизические параметры (Ур, ар, с1с) измеряемые в скважинах характеризуют физическое состояние массива горных пород в их естественном залегании.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обеспечивается корректной постановкой задач на основе фундаментальных законов физики, теории упругости и прочности твердых тел, методов математической статистикибольшим объемом экспериментального материала (изучено более 350 скважин), полученного на Эльгинском каменноугольном месторождении Южно — Якутского бассейна и их хорошей сходимостью, а также положительными результатами внедрения научно — исследовательских работ в ГГГП «Южякутгеология» .

Научная новизна работы заключается в следующем: выявлено влияние проявления термального метаморфизма на физико-механические свойства горных пород в Южно — Якутском бассейнеустановлены взаимосвязи геофизических параметров с физико-механическими свойствами углевмещающих породустановлено отсутствие закономерностей изменения физико-механических свойств пород от литологической принадлежностиразработаны методы определения физико-механических свойств горных пород в их естественном залеганиивпервые в бассейне оценена трещиноватость горного массива по данным геофизических исследований скважинвпервые выполнена оценка устойчивости горных пород в откосах бортов карьера по данным геофизических исследований скважин в ЮжноЯкутском бассейне;

Личный вклад автора заключается в: выявлении влияния термального метаморфизма на закономерности изменения физико-механических свойств горных породустановлении корреляционных уравнений между геофизическими параметрами и физико-механическими свойствами углевмещающих породобосновании определения физико-механических свойств горных пород по данным геофизических исследований скважин без предварительного литологического их расчлененияобосновании и прогнозе устойчивости горных пород в откосах бортов карьера Эльгинского каменноугольного месторождения по данным геофизических исследований скважиноценке точности и достоверности разработанного метода.

Практическая ценность работы заключается:

• в разработке геолого-геофизических методов определения физико-механических свойств пород каменноугольных месторождений в условиях проявления термального метаморфизма, которая позволяет в большом объеме и при меньших затратах получать объективные данные о физико-механических свойствах горных пород в любой части разреза, даже при их высокой трещиноватости, когда извлечение достоверного керна для лабораторных испытаний не представляется возможным;

• в разработке принципов оценки устойчивости горных пород бортах карьеров по данным геофизических исследований скважин;

• в получении результатов, которые позволят на качественно новом уровне подойти к проектированию и строительству горнодобывающего предприятия на Эльгинском каменноугольном месторождении.

Реализация результатов. Научные результаты и разработанные автором методы реализованы в процессе проведения геологоразведочных работ на каменноугольных месторождениях Южно — Якутского бассейна: на стадии предварительной разведки Кабактинского, Локучакитского и Талуминского месторождений, на стадии детальной разведки Эльгинского месторождения и на стадии эксплуатационной разведки Нерюнгринского месторождения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно — практической конференции, посвященной 40 — летию Якутского государственного университета «Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов ЮжнойЯкутии» (Нерюнгри, 1996 г.) — Научной конференции студентов и молодых ученых РС (Я) «Лаврентьевские чтения» (Якутск, 1997 г.) — Научнопрактической конференции «Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона» (Якутск, 1998 г.) — Научно-практической конференции «Народы Севера: пути, проблемы развития» (Нерюнгри, 1998 г.) — Философских чтениях «Человек, общество, культура» (Нерюнгри, 1998 г.) Научно-практической конференции «Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)», посвященной 20-летию Нерюнгринского разреза (Нерюнгри, 1999 г.) — Республиканской Научно-практической конференции «Пути эффективного использования экономического и промышленного потенциала Южно-Якутского региона в XXI веке» (Нерюнгри, 7−8 апреля 2000 г.) — I городской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 25-летию города Нерюнгри (Нерюнгри, апрель 2000 г.) — Научно-практической конференции, посвященной 300-летию учреждения в России Приказа рудокопных дел (Нерюнгри 24−25 августа 2000 г.) — Республиканской конференции «Итоги геокриологических исследований в Якутии в XX веке и перспективы их дальнейшего развития» (Якутск 9−11 октября 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения и текстовых приложений, изложенных на 181 странице машинописного текста, содержит 35 рисунков, 29 таблиц, 4 текстовых приложения, список литературы из 108 наименований.

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем:

1. Проявление термального метаморфизма на Эльгинском месторождении выражено в отсутствии дифференциации горных пород по физико-механическим свойствам, а также в нарушении взаимосвязей стадии метаморфизма углей и эпигенеза пород.

2. Связь физико-механических свойств с геофизическими параметрами (относительной интенсивностью естественного гамма излучения (Л1у), интервальным временем распространения упругих волн (ЛТ) относительным изменением диаметра скважины (Ас!)) описана многомерными корреляционными уравнениями, которые учитывают эпигенетические факторы формирования массива горных пород. Используя многомерные связи между ФМС пород и комплексом геофизических параметров, разработаны методы прогнозирования физико-механических свойств по разрезу скважины, не требующие предварительного литологического расчленения разреза. Относительная погрешность между прогнозными и измеренными значениями не превышает 15%.

3. По физико-механическим свойствам вмещающие породы Эльгинского месторождения относятся к породам средней прочности. Их значения слабо коррелируют с литологическим типом пород, и в большей степени зависят от современной глубины залегания, что не позволяет использовать данные геофизического опробования для надежного расчленения пород разреза. Конкурирующее влияние сингенетических и эпигенетических процессов обуславливает вариации значений физико-механических свойств в пределах одного литотипа и многомодальность их распределения.

Объективными показателями эпигенетических преобразований пород являются их физические свойства: пористость, объемная плотность, скорость распространения упругих волн, удельное электрическое сопротивление, т. е. свойства, отражающие физическое состояние горного массива на момент измерений. Поэтому разработанные методы базируются на корреляционных связях данных параметров (регистрируемых геофизическими методами в скважинах) с физико-механическими свойствами и позволяют определять их максимально приближенными к свойствам массива.

Использование математического аппарата Марковской нелинейной статистики позволило создать математическую модель для расчета коэффициента трещиноватости (Ктр), применительно для Эльгинского месторождения, используя геологические и геофизические параметры. Разработан метод оценки устойчивости пород в бортах карьеров по данным геофизических исследований скважин. При этом выяснилось, что при использовании физико-механических свойств, определенных по данным геофизических исследований скважин, нет необходимости учета погрешностей в определении сопротивления сдвигу горных пород в массиве (п2), за счет его трещиноватости, которые составляют 50% рекомендуемого коэффициента запаса устойчивости (п=п]* п2 *п3), учитывающего ошибки в оценке ФМС горного массива. По результатам статистического анализа выполненных исследований абсолютная среднеквадратическая погрешность определения углов наклона уступа при разной его высоте составила 0.55 градуса при относительной среднеквадратической погрешности 1.03%, и незначимой систематической погрешности.

8. Теоретические положения диссертационной работы были реализованы в процессе детальной разведки Эльгинского месторождения ЮжноЯкутского каменноугольного бассейна и использованы при подсчете запасов и их утверждении в Государственном Комитете по Запасам России.

9. Эффект разработанного метода оценки устойчивости горных пород в откосах бортов карьера заключается:

• в оперативности получения данных о физико-механических свойствах горных пород;

• в получении более достоверных результатов оценки устойчивости горных пород в уступах бортов карьера по сравнению с традиционными методами инженерно-геологических исследований;

• в повышении детальности изучения карьерного поля при незначительном увеличении затрат по сравнению с традиционными (трудоемкими, затратными и сложно организуемыми) лабораторными испытаниями керновых проб.

Заключение

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи оценки устойчивости горных пород в откосах бортов карьеров по данным геофизических исследований скважин, имеющей существенное значение в области геомеханики горных пород.