автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Экспериментально-теоретические основы совершенствования методов прогнозирования прочностных свойств горных пород Кузбасса

На правах рукописи

г '

ОД

ШАЛАМАНОВ Виктор Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД КУЗБАССА

Специальность:

05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово - 1996

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом

университете

Научный консультант - докт. техн. наук, проф. Першин В.В, Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Зильбершмидт М.Г. докт. техн. наук Кулаков Г.И. докт. техн. наук Лесин Ю.В.

Ведущая организация АООТ "КуэНИИшахтострой"

Защита состоится 27 июня'1996 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Л 063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете (650026, г.Кемерово, ул.Весенняя, 28, аудитория 1242)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ■ доктор технических наук,

профессор Ташкинов A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство шахт Кузбасса перешло на разработку угольных пластов на глубине 300-400 м, отдельные -на глубине 500-700 м. При разведке и доразведке запасов значительно сокращают объемы бурения разведочных скважин, по данным треста "Кузбассуглеразведка" 1990 г. было пробурено 338 км. а в 1995 г. 104 км, уменшилась и их средняя глубина с 323 м до 184 м. Сокращены и объемы определения физико-механических свойств горных пород, что в значительной степени объясняется большой трудоемкостью и стоимостью отбора-проб и исштаний их существующими лабораторными методами. Отсутствие достаточно полной информации о прочностных свойствах горных пород затрудняет решение многих горнотехнических задач. О том, что потребность в такой информации будет расти свидетельствуют прогнозные данные об объемах добычи угля в Кузбассе на период 1996-2000 гг.: • предусматривается увеличение добычи со-103 до 116 млн.т. как за счет действующих, так и строительства новых угледобывающих предприятий.

Следовательно, при 'удельной протяженности горных выработок 12 м на 1000 т добычи угля, в 1996 г. в Кузбассе необходимо пройти их 7-10 км, а в 2000 г. - 850,км. Это требует определения прочностных свойств горных пород для выбора оптимальных технологических решений, прогнозирования проявлений горного давления и решения.других горнотехнических задач.

В связи с этим тема диссертационной работы, направленная на разработку методов прогнозирования прочностных свойств уг-левмещающих горных пород для геомеханического обоснования строительства, реконструкции и. эффективной эксплуатации горных предприятий, является актуальной.

Исследования выполнялись в соответствии с постановлениями ГКНТ СССР N 56 от 10.03.86, ГКНТ СССР и Президиума АН СССР К 385/96 от 13.07.84 , в рамках программы "Уголь Кузбасса", являющейся составной частью региональной программы "Сибирь", а также планом НИР Кузбасского политехнического института по программе N5 "Исследование физико-механических ^свойств горных пород при разведке и доразведке угольных месторождений Кузнецкого бассейна" (N гос.per. 78035458).

Цель работы состоит в разработке методов прогнозирования прочностных свойств горных пород, обеспечивающих надежность, оперативность и удобство, их практического применения.

Основная идея работы заключается в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами горных пород, определяемыми по различным методикам для приведения полученных данных к базовым показателям и разработке на этой основе научно обоснованных методов их прогнозирования по геофизическим данным геологоразведочных работ и значениям скоростей распространения ультразвуковых волн.

Задачи исследований:

- исследовать прочность горных пород при сжатии и растяжении различными методами, установить взаимосвязи между получаемыми показателями и значения поправочных коэффициентов для приведения полученных данных к базовым показателям;

- установить возможность определения предела прочности при. растяжении на цилиндрических образцах с различными отношениями высоты к диаметру, в том числе и на кусках керна без специальной обработки их торцов;

- установить взаимосвязи между прочностными свойствами горных пород и скоростями распространения в них ультразвуковых упругих волн с учетом типа и структурно-текстурных особенностей породы; определить диапазоны изменения пределов прочности и скоростей ультразвуковых волн углевмещающих горных пород, разработать методику.прогнозирования прочностных свойств по скорости распространения ультразвуковых волн;

- исследовать изменение прочностных свойств горных пород при многократном замораживании и оттаивании, установить возможность прогноза их по скорости распространения ультразвуковых волн;

- выбрать систему геофизических факторов, оценить их количественное влияние и степень информативности на прогноз прочностных свойств горных пород с использованием теории распознавания образов; ■

- разработать методы прогнозирования прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривой и граф-метода прогноза и принятия решений по комплексу геофизических факторов.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий научное обобщение и анализ теоретических разработок, посвященных проблемам прогноза инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых; методы корреляционного парного и многофакторного анализа, теории распознавания образов и оптимальных статистических решений,

лабораторные и аналитические исследования, анализ и обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики, промышленная проверка и внедрение рекомендаций.

Научные положения, выносимые на защиту:

- значения Величины предела прочности, полученные на образцах в соответствии с рекомендациями ГОСТ и инженерных методик, имеют значительные'различия и в тоже Бремя между ними существует связь, которая с коэффициентами корреляции от 0,72 до О,85 описывается уравнениями линейной регрессии;

- предел прочности на растяжение следует 'определять на образцах цилиндрической формы с отношением высоты к диаметру в пределах 0,3+1,5, в том числе и на кусках кернов без обработки их торцов, что позволит на 35-50% увеличить объем испытаний по каждой пробе, и, соответственно, повысить уровень надежности полученной информации;

- между прочностью всех исследованных типов' и структурно-текстурных групп углевмещающих горных пород и скоростью распространения в них продольных ультразвуковых волн имеется тесная корреляционная связь, адекватно описываемая уравнениями параболической регрессии;

- разброс значений скорости распространения волн значительно меньше, чем разброс значений пределов прочности на сжатие и растяжение в связи с тем. что изменения вещественного состава пород незначительно влияют на скорость распространения в них волн, и весьма сильно на прочность пород;

- многократное замораживание и оттаивание сухих горных пород не приводит к существенному изменению их прочностных свойств и скорости распространения ультразвуковых волн; замораживание водонасыщенных пород увеличивает прочность на 20-200% и скорость волн на 5-23%; у водонасыщенно замороженных и оттаянных на воздухе и в воде пород прочность снижается на 46-48%, а скорость волн увеличивается на 3-5%;

- повышение точности прогнозирования прочностных' ■ свойств горных' пород достигается использованием информации, полученной не только из скважин, по которым выполнены лабораторные определения физико-механических свойств, но и из скважин, по которым имеются геофизические измерения; самым информативным из геофизических параметров является кажущееся сопротивление потенциал-зондами, следующими в порядке убывания - гамма-гамма-каротаж, кажущийся коэффициент затухания, гамма-каротаж.

кавернометршО- интервальное время распространения упругих волн;

- разработанные принципы прогнозирования прочностных свойств горных пород по геофизическим параметрам, на основе теории распознавания образов, с использованием вероятностной кривой и граф-метода обеспечивают точность прогноза в пределах 75+87%.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- исследованиями в лабораторных условиях прочностных свойств горных пород полей 50 шахт и участков угольных месторождений Кузнецкого бассейна с использованием современных методик, оборудования и приборов;

- использованием методов математической статистики, корреляционного парного и многофакторного анализа, теорий распознавания образов и оптимальных статистических решений;

- хорошим соответствием прогнозных оценок и результатов лабораторных определений прочностных свойств горных пород, (точность прогноза от 70 до 90%);

- использованием результатов работы: трестом "Кузбассуг-леразведка" для составления отчетов по разведанным и доразве-данным запасам угля при оценке устойчивости кровли рабочих пластов и обосновании технологии горных работ; проектными институтами "Кузбассгипрошахт" и "Сибгипрошахт", шахтостроитель-ными организациями и шахтами для обоснования условий ведения горностроительных и эксплуатационных работ.

Научная новизна работы заключается в том. что в ней :

- установлены взаимосвязи между прочностными свойствами горных пород, определяемыми по различным методикам;

- установлены значения поправочных коэффициентов для приведения к базовым показателям значений предела прочности на сжатие, определяемых при различных соотношениях высоты и диаметра образца;

- обоснована целесообразность использования кусков керна цилиндрической формы без специальной обработки их торцов, а также доказана возможность использования образцов с отношением высоты к диаметру 0.3+1.5 при определении предела прочности на растяжение;

- разработана методика прогноза прочностных свойств с

учетом типа породы, структурно-текстурных особенностей и состояния ее по значениям скоростей распространения ультразвуковых волн;

- разработан метод прогноза прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривой по комплексу геофизических параметров;

- разработан метод прогноза прочностных свойств горных пород с помощью графа-метода прогноза и принятия решений по комплексу геофизических параметров.

Личный вклад автора заключается в разработке теоретических положений по прогнозированию прочностных свойств углевме-щающих горных пород, в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами' пород, получаемыми по различным методикам; в обосновании возможности определения предела прочности горных пород на растяжение на цилиндрических образцах с различным отношением высоты к диаметру, в том числе и на кусках керна без специальной обработки их торцов; в установлении взаимосвязей между прочностными свойствами горных пород,и скоростями распространения в них ультразвуковых волн с учетом типа и структурно-текстурных особенностей строения породы; в установлении возможности прогноза изменения прочностных свойств горных пород при многократном замораживании и оттаивании по скорости распространения ультразвуковых волн; в постановке задачи прогноза прочностных свойств горных пород по комплексу геофизических параметров геологоразведочных работ с использованием теории распознавания образов; в разработке методов прогноза прочностных свойств горных пород на основе вероятностной кривей, граф-метода прогноза и по скорости распространения ультразвуковых упругих волн.

Практическое значение работы:

- доказана возможность получения надежной и объективной информации о прочностных свойствах горных пород путем испытания материала всей пробы, а не только той ее части, из которой можно изготовить цилиндрические образцы в соответствии с требованиями ГОСТ, что позволяет снизить затраты на отбор и испытания горных пород;

- получены систематизированные данные о прочностных и акустических свойствах основной и непосредственной кровли*и почвы углевмещающих горных пород;

- установлены . наиболее характерные величины соотношений

прочностных свойств и скоростей распространения ультразвуковых волн при многократном замораживании и оттаивании в зависимости от состояния породы;

- разработаны методы прогноза прочностных свойств горных пород по значениям скоростей распространения ультразвуковых волн и по комплексу геофизических параметров, получаемых при ведении геологоразведочных работ, позволяющие значительно сократить объемы лабораторных испытаний прочностных свойств пород традиционными методами, характеризующимися большой трудоемкостью и продолжительностью, что позволяет снизить стоимость работ в 1.5-2 раза.

Реализация выводов и рекомендаций

Результаты исследований по определению прочностных свойств углевмещающих горных пород использованы трестом "Куз-бассуглеразведка" для составления отчетов по разведанным и до-разведанным запасам при оценке устойчивости кровли рабочих пластов и обосновании технологии горных работ, вошли в справочник "Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна" и используются в учебном процессе при подготовке- ..специалистов горного профиля в Кузбасском государственном техническом университете.

Методические рекомендации "Прогноз прочностных свойств горных пород по скорости распространения в них ультразвуковых волн" внедрены в тресте "Кузбассуглеразведка", а методические рекомендации "Прогноз прочностных свойств горных пород по данным геофизического обследования геологоразведочных скважин" внедрены в .АООТ "Концерн Кузбассшахтострой" и тресте "Кузбассуглеразведка" .

Результаты исследований прочностных свойств горных пород используются проектными институтами "Кузбассгипрошахт", "Сиб-гипрошахт", шахтами и шахтостроительными организациями при проектировании и строительстве новых горизонтов и шахт Кузбасса, геомеханическом обосновании технологии горно-строительных и эксплутационных работ. Получен реальный экономический эффект в размере 1.5 млн. руб. (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзных научных конференциях (Москва, 1987г., 1991г.), Всероеийских конференциях (Кемеровоч 1994г., 1995г., Москва 1995г.), региональной научно-практической конференции (Кемерово, 1995), ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического

университета (Кемерово, 1987-1Э96гг.), научно-технических советах треста "Кузбассуглеразведка" (1993-1995гг.), техсовете АООТ "Концерн Кузбассиахтострой" (1995г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, включая 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, содержит 8 рисунков, 51 таблицу, список литературы из 126 наименований, 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Инженерно-геологическая характеристика угольных месторождений Кузбасса

Углевмещающие породы Кузнецкого бассейна почти повсеместно представлены песчаниками » 50%, алевролитами » 40%, их переслаиванием и 8%, аргиллитами « 2%. В небольших объемах встречаются углистые алевролиты и аргиллиты и другие разновидности пород.

В большинстве случаев песчаники Кузбасса средне- и мелкозернистые, алевролиты - средне- и мелкозернистые. Наиболее широко крупнозернистые породы представлены в Томусинском, Кон-домском, Прокопьевско-Киселевском и Кемеровском районах.

Петрографические исследования показали, что песчаники на 60-95 % сложены обломочным материалом, состав которого весьма разнообразен: кварц, полевые шпаты, эффузивные породы и их туфы, кремнистые породы, кальцит, алевролиты и аргиллиты, карбонатные породы, а также мусковит, кварциты, турмалин, плагиоклазы и др. Цемент поровый, пленочно-поровый, базальный, редко-контактовый, по вещественному составу - кремнисто- известковый, известково-глинистый, слюдисто-глинистый и др. На кремнистом цементе сложена в основном небольшая часть очень прочных песчаников в Томусинском и Прокопьевско-Киселевском районах, структура большинства песчаников псамитовая и алевролито-вая.

Алевролиты обычно темно-серые и серые, структура - алев-ролитовая и пелитовая, содержание обломочного материала в них составляет от 50 до 85%. Пелитовьш материал является цементом.

Аргиллиты темного и темно-серого цвета, неслоистые. Ос-

новная цементирующая масса кремнисто-глинистого и глинисто-слюдистого составов. Глинистое вещество окрашено углистым материалом, углистое вещество - бурые и черные частички распределены сравнительно равномерно, иногда концентрируются в субпараллельные струйки. Очень часто в составе аргиллитов встречается алевролитовый материал до Zi%, который представлен угловатыми и угловато-окатанными обломками кварца, реже полевого шпата и обломков пород, редко слюдами. Встречаются карбонат - сидерит, доломит, углистые частицы обросшие хлоритовыми крустафикационными каемками.

Характерной особенностью пород Кузнецкого бассейна является значительное содержание в них (от 4 до 20%) углистого материала в виде тонких прослойков, пленочных налетов и точечных скоплений.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом ведутся поиски более надежных и эффективных методов прогноза прочностных свойств пород. Особое внимание уделяется геофизическим и различного рода экспресс-методам. Одним из перспективных является метод, основанный на взаимосвязи между прочностными свойствами и скоростью распространения упругих волн. Наибольший интерес представляют работы В.В.Ржевского, В.С.Ямщикова, Е.А.Сигаева, А. А. Майбороды, В. В. Гречухина, 0. С. Алфёрова, В. Т. Глушко,

A.А.Яланского, П.М.Тютюника, В.В.Смирнова. И.А. Турчанинова,

B.И.Панина, Ш.А.Мамбетова и других исследователей. Необходимо отметить, что выполненные исследования носят довольно локальный характер, проводились на небольшом количестве образцов, прочность пород определялась с использованием различных методик, что затрудняет сопоставление результатов испытаний.

Определению механических и деформационных характеристик массивов горных пород посвящены работы К.А.Ардашева, В.И.Ахматова, Г.А.Каткова, А. А. Кораблйва, В.С.Ямщикова, М.С.Анциферова, А.А.Борисова, Ю.А.Векслера, В.В.Волкова, В.И.Борщ-Компани-ец, В.М.Проскурякова, А. С. Бляхмана, А.Г.Протосени, И.Ш.Коган, В. И. Дьяковского, А. К. Калашнева, Н. Ф.Кусова, В.М. Сбоева, Ю.И.Бурова, Б.Г.Тарасова, В.В.Дырдина, В.В.Иванова, Г.М.Диашо-ва и др. Выполненные ими разработки позволяют осуществлять прогноз компонент механических напряжений в массиве, деформационные и упругие характеристики горных пород, но методик прогноза прочности горных пород авторами не предложено.

Большой вклад в разработку разных методов, пригодных для решения максимально широкого круга прогнозных задач внесли

Ю.А.Воронин. Э.Л.Еганов, Е.Н.Черемисина, Б.К.Алабин. C.B.Голь-дин, Ю.А.Доронин, А.Д.Кусов. А.П.Куклин, Д.А.Радионов, H.Н.Бо-ровко, А.Н.Дмитриев, Ю. Муравлев, Ф.П.Кренделйв, В.В.Золотухин, Ю.Р.Васильев, Г. К. Дворниченко, А.А.Дорофенок, А.П.Мацак, Л. Л". Серова, Ю.А.Садовский, Л.Л.Горбунова, В.И.Подворчан, Л.А.МаКсименко и др. Вопросы сравнительного анализа, обобщения полученных результатов рассматривались мало.

Впервые обобщающую работу, как по сравнительному теоретическому анализу разных методов, так и по применению этих методов при'решении основных задач геологического прогнозирования выполнили А.Н.Бугаец и Л.Н.Дуденко, которые обобщили опыт разработки и применений математических методов при прогнозно-ме-таллогенических исследованиях. Особый интерес представляют работы Г. К.Бондарика, в которых рассматриваются основные положе-.ния теории изменчивости состава и свойств горных пород, геолого-математические методы интерпритации данных скоростных испытаний и методы построения инженерно-геологических разрезов с заданной точностью и уровнем значимости.

Одной из актуальных проблем современной физики горных пород является выяснение природы прочности различных- типов горных пород. В решение данной проблемы большой вклад внесли М.М.Протодьяконов, В.С.Вобликов, Е.И.Ильницкая, Г.Н.Кузнецов, М.Ф.Кунтыш, Ю.М.Карташов, Б.В.Матвеев, Г.В.Михеев, А.Б.Фадеев,

A. Н. Ставрогин, К. В. Руппенейт, Ю. М. Либерман. Р.И.Тедер, А. И.Бе-рон, Е. С.Ватолин, М.И.Койфман, М.П.Мохначев, С.Е.Чирков. И. М.Горькова, В. Д. Ломтадзе, И.В.Попов, В.А.Приклонский, Е.М.Сергеев, В.А.Панюков, С.И.Малинин и др. Изучению природы прочности углевмещащих горных пород Кузбасса уделено мало внимания.

С учетом сказанного особый интерес представляют работы

B.Е.Ольховатенко, в которых проведен глубокий анализ природы прочности горных пород. На основании корреляционно-регрессионного анализа установлено влияние гранулометрического, минералогического, химического состава, типа и состава цемента на прочностные свойства горных пород. Предложена методика прогнозирования поведения пород в бортах карьеров и оценки их устойчивости.

К числу наиболее ответственных и сложных задач инженерной геологии относится задача прогноза инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых, которая

успешно решена в работах А.М.Гайдина, М.Е.Певзнера, Б.В.Смирнова. Авторами впервые рассматриваются теоретические и методические основы инженерно-геологического прогнозирования. На базе комплексного подхода обосновывается стратегия инженерно-геологического прогноза. Даются рекомендации по применению методов прогнозирования при открытом, подземном и геотехнологическом способах разработки.

Теоретическим принципам прогноза и комплексной оценки горно-геологических условий разработки угольных пластов, проблемам физического и геомеханического обоснования оптимальных технологических решений, обеспечивающих эффективность и безопасность подземных горных работ в сложных природных условиях, разработке структурных моделей неоднородности горного массива с описанием его геометрических и физических свойств посвящены работы В.Н.Вылегжанина, П.В.Егорова, В.И.Мурашева. Особую ценность этим работам придает приведение конкретных математических моделей и решений по обоснованию технологических систем угольных шахт.

Большая работа по изучению свойств горных пород и закономерностей их изменения для полей шахт и разрезов Кузбасса выполнена Г.Г.Штумпфом. Особый интерес представляют установленные им корреляционные зависимости между изученными свойствами, что позволяет глубже раскрыть природу прочности горных пород и установить влияние элементов строения породы на характер разрушения образцов.

Анализируя все выше перечисленные работы можно сделать вывод о том, что несмотря на довольно большой объем исследований по проблеме инженерно-геологического прогноза и в частности прогноза прочностных свойств горных пород, инженерных методик, которые могут быть использованы непосредственно в геологоразведочных партиях, на шахтах, разрезах и в шахтостроитель-ных организациях Кузбасса нет, а это свидетельствует о необходимости и важности выполнения исследований в данной области.'

2. Исследование прочности горных пород

Определение предела прочности горной породы на сжатие (бсж) в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 производят на образцах цилиндрической и призматической форм с отношением высоты к диаметру равным 0,7-5-2 при исследовательских и 2 ± 0,05 при

сравнительных испытаниях. В соответствии о ГОСТ 21153.4-75 бсж можно определить и методом многократного раскалывания образцов полуправильной формы. Однако получаемые при этом показатели прочности на сжатие не взаимосвязаны с показателями, получаемыми при испытании цилиндрических образцов. Кроме того, изготовление образцов (кубиков) для испытания на сжатие методом многократного раскалывания из макродефектных пород почти невозможно, так как они раскалываются чаще всего на кусочки неправильной формы по поверхностям ослабления.

Определение предела прочности на растяжение (бр) в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 производят на цилиндрических и призматических образцах прямым растяжением, на цилиндрических образцах сжатием по образующим, на образцах произвольной формы встречными сферическими инденторами (в соответствии с ГОСТ 24941-81) и на образцах полуправильной формы путем их многократного раскалывания (в соответствии с ГОСТ 21153.4-75).

М.М.Протодьяконовым и В.С.Вобликовым разработана методика определения пределов прочности на сжатие и растяжение на образцах неправильной формы, однако использование ее не предусмотрено действующими ГОСТ. Определенные по указанным выше методикам показатели прочности пород различны и не взаимоувязаны.

В работе выполнена сравнительная оценка пределов прочности на сжатие и растяжение для песчаников и алевролитов, определенных по различным методикам . Результаты экспериментов для образцов песчаников приведены в табл.1.

Таблица 1

Сравнительная оценка пределов прочности на сжатие и растяжение

Показатели Методы испытания образцов

по высоте и образующим многократным раскалыванием встречными сферическими инденторами неправильной формы

Среднее значение предела прочности, МПа: при сжатии бсж 102,6 79,2 при растяжении бр 8,1 11,0 4,8 12,8 Коэффициент вариации предела прочности, % при сжатии Кс 23,2 39,4 при растяжении Кр 25.6 33,8 35,1 30,1

Анализ экспериментальных данных показывает, что величины

пределов прочности образцов, в особенности при растяжении, определенные всеми четырьмя методами, имеют значительные различия и в то же время между пределами прочности пород существует связь. Наиболее стабильная связь отмечена между пределами прочности при сжатии цилиндрических образцов (бсц) и кубооб-разных (бск). получаемых методом многократного раскалывания дисков, пределами прочности на растяжение цилиндрических образцов (брц) и кубообразных (брЕ), а также на раздавливание образцов неправильной формы (бн) и на сжатие цилиндрических образцов. Так, для всех образцов с пределом прочности от 40 до 185 МПа прочность бсц=(1,2...1,3)бск, брц=(0,6...О,79)брк, а бн=(0, И... 0.14)бсц. Наиболее близки значения предела прочности при растяжении по методам многократного раскалывания и раздавливания образцов неправильной формы. Для всех групп пород, испытанных по этим методам, брк=(0,86...О,94)бн. Самыми низкими оказались пределы прочности при растяжении , ■ определенные методом разрушения образцов встречными сферическими индентора-ми (брн). Для испытанных песчаников бри=(0,53.. .0,68)брц, брИ=(0,38. .. 0,45)брк И брИ=(0, 34.. . 0,4)бн-

В результате обработки материалов экспериментов получен ряд корреляционных уравнений, отражающих взаимосвязь между пределами прочности пород при сжатии и растяжении по описанным методам испытаний.

Обоснованием, геометрических размеров образца при определении предела прочности горных пород на сжатие занимались многие ученые. M. М. Протодьяконов рекомендует определять бсж на образцах цилиндрической формы диаметром 42 мм, при отношении высоты к диаметру h/d=l. Полученную величину бе* предложено считать эталоном. Можно испытывать образцы диаметром 50, 60 и 70 мм с соответствующим пересчетом результатов испытаний. ■■

Предложены поправочные коэффициенты для расчета бсж по результатам испытаний образцов различной высоты. Числовые значения поправочных коэффициентов, предложенных различными авторами, существенно отличаются друг от друга, следовательно, также отличаются и расчетные показатели бСж-

Выполненные исследования и многолетний опыт испытаний горных пород на стадиях разведки и доразведки месторождений Кузбасса позволяют отметить следующее. До настоящего времени более 60% керна буровых скважин имеют диаметр от 61 до 73,5 мм. Длина подавляющей части керна, поступающего на испытания, не превышает 0.15-0,2 м.

- 15 -

Небольшая длина кернов, значительная трещиноватость, слоистость, отпечатки растительности и другие макродефекты строения углевмещающих горных пород не позволяют изготавливать из них необходимое количество образцов с отношением 11/6=2. Кроме того, образцы высотой более 0,1 м с макродефектами, в особенности при угле наклона их к основанию образца более 45°. в основном разрушаются в процессе нагружения по поверхностям ослабления до достижения предела прочности. По названным причинам прочностные свойства горных пород определяют в основном на образцах с 11/(3=1.

Получаемые показатели прочности на образцах с разными отношениями й/с! существенно различаются. Однако сопоставимость их с точностью, достаточной для решения большинства горнотехнических задач, может быть получена с использованием безразмерных коэффициентов, предложенных в работе.

С. увеличением глубины геологоразведочных скважин растет выход керна, разрушенного на небольшие куски и обломки по трещинам, контактам слоев, кливажу и другим поверхностям ослабления. Поэтому возникают трудности с отбором проб горных пород для изготовления из них образцов правильной формы. В соответствии с действующим ГОСТ 21153.3-85 предусматривается определение бр на образцах цилиндрической формы высотой, приблизительно равной диаметру (11/(3 = 0,9 + 1.1). Опыт геологоразведочных работ в Кузбассе показывает, что из буровых скважин глубиной более 400-500 м выход кусков керна, у которых высота меньше диаметра, достигает 40-50%. Кроме того, значительная часть слоистых, трещиноватых и других макродефектных пород, составляющих пробы, разрушается при изготовлении из них образцов на камнерезном станке.

По названным причинам существенно снизились объемы испытания трещиноватых, слоистых и других пород, ослабленных различными поверхностями при разведке и доразведке нижних горизонтов шахтных полей. В целях более широкого охвата при изучении прочности слабых и макродефектных пород и более полного использования кернового материала нами проведены специальные исследования по изучению влияния соотношения высоты, диаметра и качества обработки торцов кусков керна на бр.

Испытывались куски керна с отношением 11/(3 = 0,3 + 1,5 без обработки и с обработанной торцевой поверхностью. Существенно нарушенные и косые торцы кусков керна, которые не обрабатывали

на камнерезном оборудовании, выравнивали молотками. Показатели прочности образцов с обработанной поверхностью приняты за контрольные, а прочность образцов с отношением Ъ/б. = 0,9 * 1,05, изготовленных и испытанных в полном соответствии с ГОСТом, за действительную, и по ней оценивались результаты всех испытаний.

Прочность пород на растяжение бр определялась по ГОСТ 21153.3-85 путем раздавливания образцов на гидравлическом прессе П-Ю усилиями, приложенными по образующим. Предел прочности на растяжение испытанных пород составил 0,1-20 МПа, в подавляющем большинстве - 2-12 МПа.

Анализ результатов исследований показал, что параметры прочности при растяжении образцов песчаников, алевролитов и их переслаиваний в интервале отношений 11/(3 = 0,3 * 1,5 с необработанными торцевыми поверхностями практически одинаковы и такие же, как и у стандартных образцов с отношением Ъ/й = 0,9 * 1,05. Увеличение высоты образцов от 30 до 110 мм, при прочих равных условиях, не сопровождается существенным изменением их прочности при растяжении, в особенности образцов диаметром в пределах 40-70 мм.

На основании результатов исследований были определены пределы прочности при растяжении около 40% всего материала керновых проб , отобранных из контрольно-стволовых скважин вертикальных стволов, пройденных на шахтах "Байдаевская", "Распадская", "Полысаевская", "Анжерская-Ейсная" и на других горно-строительных объектах. Испытания проводились на кусках керна с отношением Ь/сЗ = 0,3 * 1.5, из которых нельзя было изготовить образцы правильной формы в соответствии с требованиями ГОСТ. Полученные данные использованы в проектах крепления и охраны стволов, а также при решении других горно-технических задач.

3. Исследование взаимосвязи между прочностью горных пород и скоростью распространения ультразвуковых волн

Несмотря на то, что выполнено много исследований по изучению взаимосвязи между прочностными свойствами пород и скоростью распространения упругих волн, необходимо отметить следующее:

1. Выполненные исследования носят локальный характер, ис-

пытания проводились на небольшом количестве образцов, что не позволяет достаточно полно судить о тесноте связи прочности пород и скорости распространения в них упругих волн для конкретного угленосного района;

2. Прочность пород определялась с использованием различных методик, что затрудняет сопоставление результатов испытаний и достаточно объективную их оценку;

3. Исследования выполнены в основном для отдельных групп осадочных пород.

Все это свидетельствует о необходимости и важности выполнения в данной области более надежных и обширных исследований.

С учетом сказанного нами были проведены лабораторные испытания предела прочности на сжатие бСж> растяжение бр и скорости распространения продольных ультразвуковых волн горных пород. Обобщенные результаты этих исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2

Обобщенные результаты исследований

Тип и разновидность породы

Предел прочности, МПа

при сжатии

при растяжении

Скорость распространения продольной ультразвуковой волны, м/с

Песчаник мелкозернистый, массивный Песчаник среднезернис-тый. массивный Песчаник крупнозернистый, массивный Песчаник мелкозернистый, слоистый Песчаник среднезернис-тый. слоистый Алевролит мелкозернистый, массивный Алевролит среднезер-нистый, массивный Алевролит крупнозернистый, массивный-Алевролит мелкозернистый, слоистый Алевролит среднезер-нистый, слоистый Переслаивание мелкозернистого песчаника с мелко- и среднезер-нистым алевролитом Переслаивание средне-зернистого песчаника с разнозернистым алевролитом

45. 5-136. 2 3. 7 + 14.2 2710 -4690

23.3-127.7 2. 0+ 13.9 2980- -4390

40. 5*149. 0 3. 0+ 17.2 3050- -4250

32.2+121.2 2. 4+ 11.3 2480- -4150

29.8+126.7 2. 6+ 14. 3 3300- -3750

20.1*111.1 1. 2+ 10.1 2380- -4230

32.5+116.7 2. 5+ 11.2 2900- -4250

42. 4+75.5 3. 0* 8.8 3467- 3810

25.6+121.8 1. 9* 13.1 2900- 4030

40.4+86.1 3. 1* 7.6 2900- -4000

22.4+103.4 1. 7* 10.5 3100- -3820

48.1+117.1 2. 8+ 11.2 2843- -4100

- 18 -

Анализ, результатов табл.2 показывает, что большое влияние на прочность пород и скорость распространения'-'в них упругих волн оказывают тип породы, размер зерен, слоистостьс учетом этого -выполнена группировка пород для установления взаимосвязей.

В результате . обработки экспериментальных данных установлено, что- наиболее' надежно взаимосвязь между пределой' прочности при. сжатии беж (МПа), скоростью ультразвуковых волн ¡^ (м/с) и углом залегания слоев а (град) описывается уравнением параболической зависимости вида:

беж. т.'А + Вдр + Сйр2 + Да + Еа2.

В табл. 3 представлены значения коэффициентов А, В, С, Д, Е, корреляционные отношения й0 и надежность их щ,, для горных пород Кемеровского угленосного района, аналогичные взаимосвязи установлены и для других угленосных районов.

Таблица 3

Коэффициенты уравнений взаимосвязей

Тип и разновидность породы А В С-105 Д Е-103 йо По

Песчаники массив-

ные;

мелкозернистые -196.14 0.093 0.58 - - 0.60 8.61

среднезернистые ' 72.08 -0.038 0.99 - - 0.62 4.26

крупнозернистые -13.71 0. 0021 0.52 - - 0.78 7.77

Алевролиты мас-

сивные: >

мелкозернистые 116.81 -0.072 1.5 - - 0. 68 5.42

среднезернистые 1364.1 -0. 83 13 - - 0. 93 8. 28

Песчаники слоис-

тые:

мелкозернистые 34.13 -0.024 1 0.166 15 0.73 5.75

среднезернистые 1305.3 -0.736 И 0.90 33.6 0.93 11.2

Алевролиты слоис-

тые:

мелкозернистые 452. 26 -0/27 4.4 0.75 8.9 0.64 6.25

среднезернистые -47.57 0.05 0.4 -1.7 19 0.83 9.42

Переслаивание пес

чаника мелкозер-

нистого и алевро-

лита -4135.5 2,52 3,7 -9.68 174 0.83 8.75

Переслаивание пес

чаника среднезер-

нистого и алевро-

лита 20.51 0. 03 0.5 0.174 -2.6 0.73 8.45

Графическая интерпретация полученных зависимостей для песчаников мелкозернистых слоистых представлена на рис.1.

то 2ооо то 4000 зооо Ьр^/с

Рис.1. Графики зависимости предела прочности на сжатие песчаников мелкозернистых слоистых от скорости 'продольной волны и угла залегания слоев

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, выражающие взаимосвязь между пределами прочности на сжатие и растяжение для горных пород районов. Ниже приводятся уравнения взаимосвязи для горных пород Кемеровского района, аналогичные уравнения получены и для горных пород остальных угленосных районов.

1. Песчаники

бр = 1.9 + 11.5'10~2бСж R0 = 0.85, т(0 = 10.8 ;

2. Алевролиты бр = 3.8 +- 8.2" 10"2бсж R0 = 0.92, По = 21.4 ;

3. Переслаивание песчаников и алевролитов бр = 2.85 + 9.5'10~2бСж - 1.2'10"5б2сж . R0 = 0.89, Tío = 16.2 .

С углублением горных работ резко возрастает потребность в информации об особенностях строения и прочностных свойствах углевмещающих пород для прогноза и обоснования комплекса горных работ на шахтах и разрезах.

Для основных угленосных районов Кузбасса в табличной фор-

4.2'10~5б2сж

+ 1.8'10"5бгСж

ме представлены диапазоны изменения и средние значения пределов прочности на сжатие, растяжение, скоростей распространения ультразвуковых волн углевмещающих горных пород основной и не-, посредственной кровли и почвы. Эта информация может быть ис~/ пользована для косвенного прогноза прочностных свойств горных'' пород на каком-либо новом, неопробованном или недостаточно .оц^ робованном участке по данным его литогенетических признаков и места залегания пород относительно пласта, в случае возможности получения данных о скорости волн прогноз можно осуществлять по их значениям.

На основе выполненных исследований разработана методика прогнозирования прочностных свойств горных пород по скорости распространения в них ультразвуковых волн, воспользоваться'ей можно непосредственно в геологоразведочной партии, 'лаборатории, на шахте или разрезе, что позволит значительно сократить объемы лабораторных испытаний прочностных свойств пород традиционными методами, характеризующимися большой трудоемкостью и продолжительностью, и снизить стоимость работ в.1,5-2 раза.

4. Прогнозирование изменения прочностных свойств горных пород при многократном замораживании и оттаивании по скорости распространения ультразвуковых волн

Вопросы изменения физико-механических свойств горных пород Кузбасса под влиянием водонасыщения и отрицательных температур при многократном их замораживании и оттаивании почти не изучены. Нет количественных данных об изменении прочностных свойств горных пород при многократном их замораживании и оттаивании. Отсутствие названных данных оказывает отрицательное влияние на'выбор углов наклона бортов и рабочих уступов разрезов, на обеспечение их устойчивости и безопасного состояния.

В работе представлены результаты исследования основных прочностных свойств наиболее характерных песчаников и алевролитов поля разреза "Калтанский" и изменения их при водонасыще-нии и многократном замораживании и оттаивании.

Исходя из реальных условий, в которых будут находиться породы в бортах разрезов, принята следующая методика исследования. Все подготовленные образцы были разделены на шесть групп,' практически одинаковых по составу и строению. Породы первой группы испытывались в естественном состоянии сразу пос-

ле распарафинирования. Вторая группа образцов после распарафи-нировашя подвергалась 56 суточным циклам замораживания на наружном воздухе при температуре -2Сн-350С и оттаивания при комнатной температуре +20^22°С и затем испытывалась. Во всех случаях продолжительность цикла замораживания составила 17 ч, оттаивания - 72. Третья группа образцов насыщалась водой и испытывалась в водонасыщенном состоянии. Процесс насыщения образцов длился от 30 до 40 сут. Четвертая группа образцов после насыщения водой замораживалась в течение 24 ч и испытывалась в замороженном состоянии. Образцы пятой и шестой групп после во-донасыщения подвергались 56 суточным циклам' замораживания на наружном воздухе при температуре -20+-35°С и оттаивания, причем образцы пятой группы оттаивались на воздухе при комнатной температуре +20-22°С, шестой - в воде при той же температуре. Принятая методика преследовала цель определения влияния многократного' замораживания пород и оттаивания их в условиях, близких к естественным в приконтурной части бортов разрезов.

Данные о скорости продольных ультразвуковых волн в породах в естественном состоянии и о изменениях ее в процессе замораживания, водонасыщения, замораживания в водонасыщенном состоянии и т.д. имеют важное значение для оценки воздействия воды, отрицательных и положительных температур на механические свойства пород.

Исследования скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в образцах породы показали следующее.

Скорость распространения волн в сухих образцах песчаника сразу после распарафинирования составляет от 2700 до 3560 м/с.

Замораживание пород в сухом состоянии не привело к существенному изменению скорости распространения в них продольных ультразвуковых волн: в отдельных образцах скорость увеличилась на 3-5%, в других она уменьшилась на 3-6%.

Водонасыщение образцов песчаника сопровождается увеличением скорости распространения волн на 8-15% и более (в зависимости от открытой пористости породы).

Замораживание водонасыщенных песчаников обусловливает резкий рост скорости распространения продольных ультразвуковых волн. Это объясняется переходом воды из жидкой фазы в твердую (лед).

Обработка экспериментальных данных позволила для всех ре-

жимов испытаний получить наиболее характерные величины соотношений основных механических показателей песчаников и алевролитов (табл.4).

Таблица 4

Величины соотношений прочностных и акустических свойств

Состояние породы

естественное (на момент распарафи-нирования) естественное после 56 циклов замораживания и оттаивания на воздухе водона- сыщен- ное водонасы-щенное замороженное {замораживание после водонасыщения) водонасыщенное после 56 циклов замораживания и оттаивания

на воздухе в воде

бс ир бс Чр 5с иР бс бс 1>р бс ир

Соотношение показателей

1 1 0,96 0,99 0,52 1,09 0,70 1.16 0,53 1,03 0.54 .1.05

(базовые

показатели)

Полученные результаты убедительно показывают, что по скорости распространения продольных ультразвуковых волн можно надежно изучать процесс водонасыщения, замораживания и оттаивания горных пород как по объему, так и во времени. Поэтому ультразвуковой метод может быть рекомендован для прогнозирования изменения прочностных свойств при водонасыщении, многократном замораживании и оттаивании.

5. Экспериментально-теоретические основы прогнозирования прочностных свойств горных пород по геофизическим данным геологоразведочных работ

Одним из путей повышения точности прогноза может быть сгущение редкой сети точек физико-механического опробования за счет более густой сети скважин, по которым имеются геофизические измерения. Геофизическим обследованиям подвергаются практически все разведочные скважины. Это связано, прежде всего, с перспективой использования результатов геофизических исследо-

ваний скважин для получения информации о свойствах пород при бескерновом бурении скважин как. более дешевом и производительном способе.

Известен положительный опыт прогноза качественных показателей угольных пластов, физико-механических свойств пород по комплексу геофизических кривых с использованием многомерных уравнений регрессии. Однако необходимо указать на трудности использования данного метода, которые заключаются прежде всего в том, что по отдельности некоторые признаки геофизических измерений могут не коррелировать с прогнозируемым параметром и соответственно не учитываться при прогнозе. С другой стороны, выбор вида теоретической зависимости затруднен из-за нелинейной формы связи факторов. По этой причине приближение посредством многомерных регрессионных уравнений получается довольно грубым. В этой связи целесообразен поиск таких методов прогноза, которые позволяли бы использовать не только очевидные коррелируемые факторы, но и те, которые становятся информативными в комбинации с другими независимо от вида связи. Использование информативных сочетаний различных факторов в таком случае увеличивает точность прогноза.

Аппаратом, позволяющим осуществить аналитическое объединение в едином количественном показателе совокупное влияние комплекса факторов, располагает теория распознавания образов. С помощью методов распознавания можно решать задачи классификации, прогноза и диагностики состояния объектов различной природы и различного назначения. Основная цель решения задачи распознавания заключается в тем, чтобы на основе анализа многофакторных закономерностей по данным прошлого опыта выработать решающее правило, позволяющее различать новые объекты разных классов по комплексу значений определяющих их факторов.

Геометрическая иллюстрация распознавания по комплексу двух факторов Хе и ХЗ приведена на рис.2. В данном случае объекты классов А и В можно разделить линией Г (ХЗ.Хе) = 0. Объекты, лежащие по одну сторону от нее принадлежат к классу А, а по другую - В.

Абсолютное большинство инженерных задач является многофакторными. Так, любой участок горных пород можно охарактеризовать совокупностью геофизических характеристик Х(, Хг— Хп и таким образом, представить его как п - мерную точку в прост-

Рис.2. Геометрическая иллюстрация распознавания классов обьектов в двумерном случае

ранстве определяющих его характеристик или как п - мерный вектор

М1 = (Хм. Х12, ... Х1П).

Если объекты существенно различаются по свойствам, то точки, соответствующие объектам одного класса располагаются в близких областях п - мерного пространства, а точки - объекты разных классов расходятся.

Разделяющей границей в этом случае является гиперповерхность

Ф (Х1( Х2.....Х„) =0

такая,что при Ф (Х3, Х2, ..., Хп) > 0 имеем объекты класса А, а при Ф .(Хь Хг, ..., Х„) < 0 - объекты класса В.

Разработанная модель разделения (разделяющая гиперповерхность испытывается на других объектах, составляющих контрольную выборку обоих классов. При этом оценивается надежность прогноза (решающего правила).

Рассматривая геофизические характеристики - факторы Хь Х2, .... Х„ как случайные величины, решается задача прогноза класса прочности горных пород в вероятностной постанозке. т.е. вычисление вероятности принадлежности объектов к выделенным классам.

- 25 -

В качестве выходного показателя разработанных моделей прогноза взят предел прочности пород на одноосное сжатие бСж. а в качестве входных показателей взяты кривые:

1) кажущегося электрического сопротивления по методу градиент-зонда, КСгз;

2) кажущегося электрического сопротивления по методу потенциал-зонда, КСпз;

3) гамма - каротажа. ГК;

4) гамма - гамма - каротажа, ГГК;

5) кавернометрии, КМ;

6) интервального времени распространения упругих волн в породах ДТ;

7) кажущегося коэффициента затухания.а.

Единицы измерения этих показателей приведены в табл. 5.

Таблица 5

Единицы измерения показателей

Показатель КСгз КСпз ГК ГГК КМ ДТ а беж

Обозначение XI 12 ХЗ Х4 Х5 Х6 Х7 у

Единицы мкР усл. МКС м

измерения ОМ'М ом'м ч ед. мм м м МПа

Исходя из существующих требований по разрушению пород, тяжести проявления горного давления и рекомендаций при проведении подготовительных и очистных выработок проведена предварительная группировка пород на классы и категории прочности по беж - табл.6.

Таблица б

Группировка горных пород на классы и категории

Значение бсж. МПа Класс Категория

< 40 В 1

40 - 60 2

60-90 А 3

> 90 - 4

- 26 -

Для нахождения правила разделения объектов-участков горных пород на классы и категории прочности по комплексу геофизических факторов была произведена количественная оценка их влияния, которая необходима для построения вероятностной кривой прогноза, а также для расчета граничных значений каждого фактора между объектами распознаваемых классов при разработке граф-метода прогноза.

6. Разработка методов прогнозирования прочностных свойств горных пород по геофизическим данным геологоразведочных работ

Каждая из геофизических характеристик в разной степени реагирует на прочностные свойства горных пород. Проведенными исследованиями выявлены геофизические факторы, по которым можно осуществить разделение пород по прочностным свойствам и проведено их ранжирование по степени информативности.

Наиболее информативным- является., фактор Х2 - кажущееся сопротивление потенциал зондами (КСпз).

Следующими по информативности в порядке убывания будут факторы :

- Х4 - гамма-гамма-каротаж (ГГК);

- Х7 - кажущийся коэффициент затухания (а);

- ХЗ - гамма-каротаж (ГК);

- Х5 - кавернометрия (КМ);

- Х6 - интервальное время распространения упругих волн в

породах (АТ).

С использованием информативных факторов была разработана методика прогнозирования прочностных свойств горных пород, основанная на вероятностной кривой. Основная идея данного метода распознавания заключается в приведении размерных координат

объекта, т.е. значений его факторов Х2.....Х7 к безразмерным

координатам и, тем самым, сведении задачи распознавания образов в шестимерном пространстве к распознаванию в одномерном.

В качестве безразмерных координат взяты Рка(Х1) - выходные показатели таблиц количественной оценки влияния значений факторов Х2,...Д7 на разделение объектов по классам ' прочности. Обобщенная координата каждого объекта вычислялась как средняя арифметическая п его безразмерных координат.

Объекты класса А будут, в основном, иметь большие значе-

ния обобщенной координаты Ъ, а объекты класса В - меньшие. Поэтому возможно их разделение. Поиск разделяющей границы 2о начали с построения интервального вариационного ряда для значений 21 (1=1_____Ю, выделяя при этом число объектов класса А,

попавших в тот или иной интервал. Для каждого К-го интервала

(К=1,2.....Б) вычислено отношение Рка(2), числа объектов из

класса А к общему числу объектов, попавших по значению их обобщенной координаты в этот интервал. Далее на координатной плоскости построены точки, абсциссами которых (г) взяты середины выделенных интервалов, а ординатами сооветствующие отношения Рка(2). Эти точки соединены отрезками прямых, получена ломаная линия - эмпирическая вероятностная кривая прогноза Ра(2) со значениями 0<Ра(г)<1Эмпирическую вероятностную кривую сгладили, используя функцию Лапласа.

Для принятия альтернативного решения о классе1или категории прочности горных пород на конкретном участке была установлена взаимосвязь между выходным показателем бс*. (хО и итоговым вероятностным показателем Р(Х!еА) и установлено вероятностно-альтернативное решающее правило классификаций горных пород на классы и категории - табл.7.

Таблица 7

Вероятностно-альтернативное решающее правило ■ классификации горных пород на классы и категории

Вероятность Категория Класс

0-0.2 1

0.2-0.4 2 В

0.4-0.7 3 А

0.7 - 1 4

Объеденяя вероятностную кривую и вероятностно-альтернативное решающее правило классификации объектов на классы, и категории получили метод прогноза прочностных свойств горных' пород, который можно использовать при принятии инженерных решений. Графическая иллюстрация практического применения данного метода приведена на рис.3. Задача оценки вероятности отнесения горной породы к конкретному классу или категории сводится к вычислению:

1) безразмерных координат Рка(Х1);

2) обобщенной координаты

- 28 -

3) определению по рио.З категории прочности.

Рис.3. Метод прогноза классов и категорий прочности по вероятностной кривой

Прогнозирование прочностных свойств горных ' пород можно осуществлять используя граф-метод. Для чего у каждого информативного фактора определены граничные значения по вероятности появления объектов класса А (табл.8).

Таблица 8

Граничные значения информативных геофизических факторов при распознавании класса прочности пород ■

ФАКТОРЫ Граничные значения, мм ■ Интервалы значений фактора (ветви графа)

' Х2 15 Х2<15, Х2>15

ХЗ 76 Х3<76, Х3>76

Х4 8. 2 Х4<8. 2, Х4>8. 2

Х5 17 Х5<17, Х5>17

Х6 40 Х6<40,' Х6>40

Х7 ■ 40 Х7<40; Х7>40

: - 29 -

Граф был построен на основе обучающей -выборки, содержащей 27 объектов класса А и 24 - класса В. Отношение 27/51=0.53 можно принять за оценку априорной вероятности появления объекта класса А.

Первый-уровень'прогноза строится на основе значений фактора Х2. Граничным значением 15 вся область значений Х2 разбивается на дв'е ветви Х2<15 и Х2>15. Все объекты обучающей выборки распределяются по этим двум ветвям.

Второй 'уровень прогноза учитывает совместное влияние первого и второго по степени информативности факторов. Каждая из ветвей прогноза по первому фактору с учето^ граничного значения второго по информативности фактора детализируется на две ветви:

с Х4<8.2 и ' 'Х4>8.2.

Таким образом, получено четыре ветви второго уровня прогноза. По ним вычислены вероятности принадлежности объекта к классу А по принципу отношения числа объектов класса'А к общему числу объектов, попавших на данную ветвь графа. •'

Дальнейшая детализация по другим факторам на основе граничных значений, приведенных в табл. 8. осуществляется аналогично первым двум уровням.

Ветви полного графа представляют -ломанные со звеньямя,-соответствующими значениям отдельных факторов ХЗ. Эти ломанные, как результат учета-значений'комплекса взаимосвязанных факторов, имеют выход на итоговую вероятность принадлежности объекта исследования М1'к классу А, т.е.

Р(М1 е А) = Р(Х2.....Х7.). .

Метод прогноза класса, прочности пород в виде графа,- построенный на основе исходной обучающей выборки, приведен на рис. 4.

Задача распознавания класса нового объекта сводится к следующему:

1) по значениям XI(1=1-6) прослеживается путь (обобщенная ветвь) объекта на графе;

2) вероятность принадлежности нового объекта к классу А принимается равной итоговой вероятности соответствующей ветви;

3) класс и категория прочности испытуемого объекта определяются по последним столбцам графа.

При отсутствии данных о значении какого-либо фактора объекта на графе по уровню, соответсвующему этому фактору, выби-

I

Со

0

1

Рис. 4. Граф прогноза прочностных свойств горных пород

рается путь с максимальной вероятностью принадлежности к классу А.

Для обеспечения возможности определения категории прочности горных пород на ЭВМ разработана блок схема алгоритма и программа его реализации.

Была выполнена сравнительная оценка надежности разработанных методов прогноза, которая показала, что надежность прогноза с использованием вероятностной кривой равна 75%, а граф-метода - 87.5%.

Кроме того, граф-метод является более удобным в практическом применении, т.к. не требует вспомогательных вычислений (перекодирования, суммирования и др.), обеспечивает наглядность и оперативность прогноза.

На основании результатов исследований, выполненных в работе, осуществлено геомеханическое обоснование: толщины монолитной бетонной крепи стволов шахты "Анжерская-Южная" и расчета крепи сопряжений шахты "Шушталепская". Эти результаты могут быть использованы не только для составления паспортов крепления горных выработок, но и проектов производства работ на их проходку и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе выполненных автором исследований разработаны теоретические положения по прогнозированию прочностных свойств углевмещающих горных пород для геомеханического обоснования строительства, реконструкции и эффективной эксплуатации горных предприятий, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в горной геомеханике.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Установлено , что около 90% углевмещающих горных пород Кузбасса составляют средне - и мелкозернистые песчаники и алевролиты, крупнозернистые породы наиболее широко представлены в Томусинском, Кондомском, Прокопьевско-Киселевском и Кемеровском районах; наиболее распространенным минералом в породах бассейна является кварц, содержание которого составляет 15-30%, а в некоторых породах балахонской серии достигает 50%, преобладающее содержание полевых шпатов в песчаниках и алевро-

литах - 15-20%, цемент пород разнообразен и представлен в основном глинистым, карбонатным и кремнистым материалами.

2. Доказано, что пределы прочности горных пород при сжатии и растяжении, определяемые по известным стандартным методам не равнозначны, поэтому при решении инженерно-технических задач следует пользоваться базовыми показателями для чего следует при. определении пределов прочности на сжатие использовать образцы пород с отношением высоты к диаметру равным 1, во всех остальных случаях следует выполнять перерасчет, используя установленные в работе коэффициенты взаимосвязи Кв. Предел прочности на 'растяжение следует определять на цилиндрических образцах с отношением высоты к диаметру от 0.3 до 1.5 включительно, в том числе и на кусках керна (с боковой поверхностью без неровностей и раковин) без специальной обработки их торцов, что позволит на 35-50% увеличить обьем испытаний керново-го материала проб; в тех случаях, когда не представляется возможным изготовить цилиндрические образцы правильной формы прочностные свойства можно определять на образцах неправильной формы, выполняя перерасчет с использованием уравнений взаимосвязей, установленных в работе.

3. Установлено, что между прочностными свойствами всех исследованных типов и структурно-текстурных групп горных пород и скоростью распространения в них продольных ультразвуковых волн имеется довольно тесная корреляционная связь, коэффициенты корреляции (корреляционные отношения), характеризующие силу связи составляют от 0.42 до 0.93, надежность коэффициента корреляции - от 3.9 до 18.4, причем с увеличением однородности состава и строения пород и ростом размера зерен теснота связи усиливается; доказано, что установленные уравнения взаимосвязей пределов прочности и скоростей распространения ультразвуковых волн можно использовать для экспресс-метода определения прочностных свойств пород, это позволит значительно сократить объемы лабораторных испытаний прочностных свойств пород традиционными методами, характеризующимися большой трудоемкостью и продолжительностью, и снизить стоимость работ в 1.5-2 раза.

4. Определены диапазоны изменения прочностных свойств и скоростей распространения продольных ультразвуковых волн уг-левмещающих горных пород Кузбасса, установлено, что предел прочности при сжатии пород непосредственной почвы на 20-30% больше, чем пород непосредственной кровли, у однородных пород

массивной текстуры он в 8-12 раз больше, чем при растяжении, у слоистых и в особенности у трещиноватых пород он в 15-20 раз больше.

Скорость распространения продольных ультразвуковых волн колеблется от 1200 до 6100 м/с, в прочных и очень прочных песчаниках и алевролитах она составляет в основном 3800-4900 м/с, в слоистых, слаботрещиноватых песчаниках, алевролитах и аргиллитах средней и выше средней прочности - 3200-3800 м/с, сильнотрещиноватых и очень слабых породах - 1600-2300 м/с, в мелкозернистых породах скорость, при прочих равных условиях, на 4-6% больше, чем в среднезернистых, и на 6-8% больше, чем в крупнозернистых, рост прочности сопровождается увеличением скорости волн.

5. Обоснована возможность использования ультразвукового метода для изучения водонасыщения и замораживания образцов уг-левмещающих горных пород, установлено, что водонасыщение приводит, к снижению прочности в 2.2-2.5 раза, замораживание водо-насышенных пород приводит к росту их прочности в 1.1-1.2 раза и увеличению скорости распространения продольных ультразвуковых волн в них в 1.03-1.40 раза, многократное замораживание и оттаивание водонасыщенных образцов как на воздухе, так и в воде не сопровождается существенным изменением прочности по сравнению с прочностью в водонасыщенном состоянии..

6. Показано, что при разведке и доразведке полей шахт и разрезов повысить точность прогноза можно за счет использования данных геофизического обследования скважин, доказано, что сгущение сети точек физико-механического опробования можно осуществить, используя теорию распознавания образов, осуществлен выбор факторов и исходного материала исследований для прогноза прочностных свойств в рамках теории распознавания образов, произведена количественная оценка влияния геофизических факторов на разделение пород по прочностным свойствам, выполнена математическая постановка задачи прогноза.

7. Установлена степень информативности геофизических факторов для прогноза прочностных свойств, доказано, что наиболее информативным является фактор - кажущееся сопротивление потенциал зондами КСпэ,для информативных геофизических факторов рассчитаны вероятностные границы, с учетом которых установлено вероятностно-альтернативное решающее правило классификации пород по прочностным свойствам, рассчитана и построена вероят-

ностная кривая прогноза, на их основе получен метод прогноза прочностных свойств, который можно использовать при принятии инженерных решений.

8. Впервые разработан граф-метод прогноза прочностных свойств о использованием комплекса геофизических факторов, для которых определены иерархические уровни прогноза и рассчитаны граничные значения, доказано, что граф-метод прогноза более надежен и удобен при прогнозе прочностных свойств горных пород и обеспечивает точность прогноза 87%.

9. Разработаны методика прогноза прочностных свойств горных пород по скоростям распространения в них продольных ультразвуковых волн и методика прогноза прочностных свойств на ЭВМ на основе граф-метода прогноза, которые прошли проверку в геологоразведочных партиях треста "Кузбассуглеразведка" , в шахтостроительных управлениях и на шахтах Кузбасса.

10. Реальный экономический эффект от внедрения результатов работы в тресте "Кузбассуглеразведка" составил 1.5'млн. руб. (в ценах 1990 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Штумпф Г. Г., Рыжков Ю. А., Шаламанов В. А., Петров А. И. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. - М.: Недра. 1994.-447с.

2.Шаламанов В.А., Штумпф Г.Г., Першин В.В. Прогноз прочностных свойств углевмещающих горных пород Кузбасса. - Томск: Изд-во Том. ун-та.' 1995. - 161с.

3.Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А., Бурцева Н.И. Влияние соотношения размеров образцов на показатели прочности горных пород на растяжение //Шахтное строительство.-1989.-N5.-С.17-20.

4. Шаламанов В.А. Прогноз прочностных свойств пород Кузбасса и их влияние на экологическую обстановку в регионе //Горный информационно-аналитический бюллетень,выпуск N3. -М.: Московский горный ун-т, 1995.-С.53-55.

5.Шаламанов В.А. Пути повышения точности прогноза прочностных свойств горных пород Кузбасса //Горный информационно-аналитический бюллетень,выпуск N2. - М.: Московский горный ун-т, 1996.-С.107-109.

6.Шаламанов В.А., Штумпф Г.Г. Физические свойства пород Томусинского района Кузбасса и их использование при разработке угольных месторождений. //Тезисы докладов IX Всесоюзной науч-

ной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов". М., 1987. - С.21.

7.Шаламанов В. А. Упругие свойства углевмещащих пород и некоторые закономерности их изменения //Тезисы докладов X Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические процессы горного производства". М.. 1991.-С. 9.

8.Шаламанов В.А. Прогноз прочностных свойств углевмещаю-щих пород Кузбасса по данным геофизического обследования скважин //Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Перспективы развития технологий и средств бурения". Кемерово, 1995.- С.51-52.

9.Шаламанов В.А., Першин В.В. Прочностные свойства углев-мещающих горных пород и их влияние на экологию Кузбасса //Тезисы докладов научно-практической конференции с международным участием "Перспективы развития горнодобывающей промышленности". Новокузнецк, 1995. с. 44.

10.Шаламанов В. А. Прогноз прочностных свойств пород Кузбасса и их влияние на экологическую обстановку в регионе //Тезисы докладов .первой научно-практической конференции Сибре-сурс-95. Кемерово. 1995.-С.140-141.

И.Шаламанов В.А. Расчет прочностных свойств горных пород и статистическая обработка полученных результатов с использованием микрокалькулятора /Кузбас. политехи. ин-т.-Кемерово. 1987. -8с. -Деп. В ЦНЙЭИуголь 16.06.87. Я4028-уп.

12.Шаламанов В.А. Результаты исследования некоторых свойств горных пород юга Кузбасса //Повышение эффективности горнопроходческих работ: Межвуз. сб. науч. тр. /Кузбас. политехи. ин-т. Кемерово, 1987.-С.125-131.

13.Штумпф Г. Г., Шаламанов В.А., Бурцева Н.И. Результаты исследования прочности горных пород на растяжение на цилиндрических образцах полуправильной формы, //совершенствование горнопроходческих работ при сооружении шахт и рудников: Межвуз. сб. науч. тр. /Кузбас. политехи. ин-т. ' - Кемерово. 1989.-С.90-101.

14.Штумпф Г. Г., Шаламанов В.А. Инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации разрезов в Кузбассе //Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе: Сб.науч.тр. /Кемерово, ИЗД-В0 "РОДНИК", 1990.-С.177-183.

15.Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А., Бурова М.А. Исследование

изменения свойств углевмещающих пород при многократном замораживании и оттаивании //Вопросы проектирования открытой разработки угольных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. /Кузбас. политехи, ин-т. -Кемерово, 1990.-С.106-111.

16.Шаламанов В.А. Упругие свойства углевмещающих горных пород Кузбасса и предложения по их определению //Научно-технические проблемы сооружения горных выработок: Межвуз. сб.науч. тр. /Кузбас. политехн. ин-т.- Кемерово.1991.-С.74-77.

17.Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А., Бурова М.А. Физические свойства горных пород поля разреза "Осинниковский" и закономерности их изменения //Новые технологические решения открытой разработки угольных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. /Кузбас. политехн. ин-т. - Кемерово, 1992.-С. 132-136.

18. Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А. Прогнозирование свойств углевмещающих горных пород по взаимосвязи между ними //Организационно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. политехн. ин-т. - Кемерово, 1992.-С.78-88. ■

19.Шаламанов В.А. 'Обобщение и анализ результатов изучения физических свойств горных пород Кузбасса //Совершенствование технологических процессов при"разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. N8 /Ассоциация "Кузбассуглетех-нология". - Кемерово, :1994. -С.29-34.

20.Шту®ф Г.Г., Шаламанов В.А. Инженерно-геологические условия строительства вертикальных стволов Анжерского угленосного района //Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. N8 /Ассоциация "Кузбассуглетехнология". - Кемерово, 1994.-С.34-41.

21.Шаламанов В.А., Штумпф Г.Г. Вещественный состав, особенности строения и пределы изменения физических свойств горных пород Кузнецкого угольного бассейна //Совершенствование технологии строительства горных предприятий: Сб."' науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1994. - С. 97-102.

22. Шаламанов В. А., Ковалевская В.А. Установление степени информативности геофизических факторов для определения предела прочности горных пород при сжатии //Научно-технические проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1995. - С.51-56.

23.Шаламанов В.А., Штумпф Г.Г. Физические свойства горных пород поля шахты "Шушталепская" и некоторые взаимосвязи между

ними //Научно-технические проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1995. - С. 57-61.

24.Шаламанов В.А. Прочностные и акустические свойства горных пород Анжерского, Кемеровского, Ленинского, Беловского, Прокопьевско-Киселевского угленосных районов Кузбасса //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. - С. 28-36.

25. Шаламанов В. А., Ковалевская В.А. Выбор и обоснование числовых характеристик геофизических кривых при определении прочностных свойств горных пород с использованием теории рас-познования образов //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. -Кемерово. 1996. - с.130-134.

26.Шаламанов В.А.. Ковалевская В.А. Математическая постановка задачи прогноза класса прочности горных пород с использованием теорий распознавания образов //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. - С.134-140.

27.Ковалевская В.А., Шаламанов В.А., Мякишева Л. Е, Ковалевский К.А. Выбор и обоснование критериев разделения участков горных пород на классы и категории прочности //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. - С. 196-200.

28.Шаламанов В. А. Прочностные свойства углевмещающих горных пород Кузбасса и пути повышения точности их прогноза //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. -С. 220-225.

29.Шаламанов В. А. Прочностные свойства горных пород Кон-домского угленосного района Кузбасса и взаимосвязи между ними //Актуальные проблемы подземного и наземного строительства: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. -С.233-238.

30.Шаламанов В.А., Ковалевская В.А., Ковалевский К.А. Использование вероятностного подхода к разработке метода прогноза прочностных свойств горных пород по геофизическим данным //Проблемы подземной разработки полезных ископаемых: Сб. науч. тр. /Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 1996. - С.123-129.