автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование влияния трещиноватости карбонатных углевмещающих пород на эффективность их промышленного использования

На правах рукописи

Алексей Николаевич Анощенко

Исследование влияния трещиноватости карбонатных углевмещающих пород на эффективность их промышленного использования

Специальность 05.15.11 «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Иофис М. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Демин А.М.

кандидат технических наук, доцент Никитин В.В.

Ведущая организация ОАО «Тулауголь»

Защита состоится « 02_» ООДпяЛЬ J 1998 г. в на заседании диссертационного совета Д003.20.01 в Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Крюковский тупик, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН

Актуальность работы. В настоящее время необходимо принятие неотложных мер по преодолению критического положения в угольной промышленности России, связанного с невозможностью продолжения дотирования со стороны государства планово-убыточных предприятий, что наиболее актуально для разрезов Подмосковного угольного бассейна, разрабатывающих пласты низкокалорийных углей с высокой себестоимостью и ограниченной областью использования.

Наиболее эффективным выходом из этого положения является комплексное освоение месторождений данного региона. Учитывая повсеместное распространение на территории Подмосковного бассейна известняков тульского, мячковского и подольского горизонтов, залегающих, сак правило, выше угольных пластов, их вовлечение в разработку для производства материалов строительного назначения (щебень, товарные блоки и стеновой камень), является одним из путей выхода добывающих предприятий из кризиса.

Получение перечисленных видов продукции может быть достигнуто только при селективной разработке вскрышных пород, которая должна базироваться на оценке структуры и свойств этих пород с последующим районированием площади их распространения в контуре подсчета запасов.

Существующие методы определения блочное™ по скважинам, как и горногеометрический метод оценки параметров структуры, имеют ряд нерешенных вопросов, поэтому необходимо не только их совершенствовать, но и активно разрабатывать новые методы, позволяющие с наименьшими материальными и трудовыми затратами решить поставлепн)К) задачу.

Таким образом, разработка метода исследования состояния массива утлевмещающих карбонатных пород для оценки целесообразности и эффективности их разработки на материалы строительного назначения является актуальной проблемой, решение которой позволит продлить производственную деятельность разрезов Подмосковного бассейна в условиях реструктуризации.

Цель работы заключается в разработке метода оценки геомеханического состояния и прочностных свойств карбонатных утлевмещающих пород для выдетения на рабочих бортах угольных разрезов участков, годных для промышленной разработки известняков как строительной горной породы.

Основная идея работы заключается в использовании результатов исследования состояния массива разработанным методом для решения различных технических задач угольных разрезов в условиях совместной разработки угля и изесгияков.

Научная новизна работы состоит в том, что: установлены параметры природной блочности структурных блоков в массиве утлевмещающих карбонатных пород в зависимости от распределения в нем систем крутопадающих трещин, что позволяет оперативно определять участки выемки кондиционных блоков; установлено, что применительно к тульским известнякам соотношение величин сцепления в образце и в массиве находится в гиперболической зависимости от соотношения средних линейных размеров образцов и размеров структурных блоков в массивах; доказано, что результаты склерометрии на обнажениях возможно применять для оперативного определения крепости структурных блоков известняка непосредственно в массиве.

Основные положения, разработанные автором и защищаемые в диссертации.

1. Параметры трещиноватоети массива постоянны только в некотором его объеме. Величина области их распространения в глубь массива обратно пропорциональна размаху значений угловых величин в системе крутопадающих трещин и прямо пропорциональна длине участка их замеров.

2. Соотношение величин сцепления в образце и в массиве находится в гиперболической зависимости от соотношения федних линейных размеров образцов к размерам структурных блоков массивов.

3. Величины пределов прочности при сжатии структурных блоков массива и амплитуды отскока индентора склерометра ОМШ-1 находятся в линейной зависимости друг от друга, распределяясь по нормальному закону, в связи с чем результаты склерометрических исследований на обнажениях можно использовать для оперативного определения крепости структурных блоков известняка.

4. Предрасчет основных параметров системы разработки (направление и скорость под-витания фронта горных работ, календарный план добычи блоков и т.д.) должен базироваться на определении коэффициента выхода товарных блоков из массива, учитывающего азимуты простирания и межтрещинные расстояния систем трещин, ограничивающих основание структурных блоков, а также процентное содержание этих блоков в массиве.

Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается:

- сходимостью результатов определения прочностных характеристик карбонатных пород в массиве с данными испытаний образцов на одноосное сжатие в лабораторных условиях с учетом масштабного фактора (расхождения не превышали ±7,9%, составляя в среднем ±4,7%);

- наличием устойчивой корреляционной связи между прочностными характеристиками карбонатных пород, определяемыми при помощи склерометра ОМШ-1, и скоростями распространения ультразвуковых волн при оценке трещиноватоети скального массива.

Практическое значение работы состоит в: разработке метода оценки геомеханического состояния массива карбонатных углевмещающих пород на действующих разрезах Подмосковного угольного бассейна; установлении границ распространения параметров трещиноватоети в глубь массива и определении на основании этого блочное™ запасов известняков первой очереди отработки на участке № 3 Богородицкого разреза; установлении факторов, влияющих на выбор техники и технологии совместной разработки угля и известняков; обосновании эффективности работы цеха по переработке добываемых известняков на облицовочную плитку применительно к условиям Богородицкого разреза ОАО "Тулауголь".

Реализация работы. Метод геомеханической оценки состояния карбонатных вскрышных пород массива предложен к использованию на разрезах ОАО «Тулауголь». Результаты исследований по углевмещающим породам Бегичевского угольного месторождения (разрез «Богородицкий», участок №3) используются при разработке проекта добычи блочного камня и сопутствующего сырья из карбонатных пород указанного разреза.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на заседании секции по открытым горным работам АГН ( 1995 г. ), НТС АО «Тулауголь»

(1997 г.), НТС АО «Полистром» (1995 г.), научных семинарах лабораторий проблем комплексного освоения угленосных отложений недр и горной геомеханики.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 научные

работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 99 страницы машинописного текста, 15 рисунков, 30 таблиц, списка литературы из 68 наименований.

Основное содержание работы.

В современных экономических условиях с особенной остротой встал вопрос о преодолении кризисной ситуации в угольной промышленности России, связанной с жесткими ограничениями со стороны государства инвестиций в планово-убыточные шахты и разрезы.

Особенно остро эта тенденция отражается на предприятиях, добывающих малокалорийные угли и разрабатывающих пласты сравнительно небольшой мощности.

Несмотря на то, что еще в начале 90-х годов ведущими отечественными учеными -специалистами в области открытых горных работ обращаюсь внимание на ценность вскрышных углевмещающих пород, мероприятия по их вовлечению в переработку детально не рассматривались.

По результатам наших исследований был сделан вывод о целесообразности комплексного использования пород угольных разрезов, базирующийся на следующем положении:

- вскрышные породы на разрезах легко оценить на пригодность к переработке из-за их доступности к добыче, возможности визуальной и лабораторной оценки, минимальным количеством затрат на выемку и относительно высокими темпами реализации, т.к. потребность в них и сейчас высока.

Наиболее выгодным представляется переработка карбонатных пород вскрыши на материалы строительного назначения из-за их универсальности в переработке (облицовочные плиты, стеновой камень, щебень и т.д.) и стабильного спроса на товарные блоки известняка и облицовочные плиты из него.

Разработка вскрышных пород позволит повысить рентабельность угольных разрезов, что в определенной степени дасг возможность снизить себестоимость основного добываемого полезного ископаемого - З'гля и, тем самым поможет рассматриваемым горным предприятиям выжить в условиях рыночной экономики.

Реализациия некоторых направлений пути выхода из кризиса действующих предприятий рассмотрена в данной работе на примере анализа разрезов, для которых эта проблема стоит наиболее остро.

Основой оценки массива горных пород является предварительное изучение его геомеханического состояния. Как известно, наибольшее влияние на прочность массива оказывают трещины II и III порядка (по классификации Ржевского - Якобашвили), имеющие естественное и техногенное происхождение. Определив расчлененность массива трещинами и оценив прочностные характеристики структурных блоков, слагающих массив, можно сделать вывод о пригодности данной горной породы к разработке на требуемый вид строительной продукции.

На протяжении многих лег изучением трещиновагоети массива занимались такие ученые, как М.М. Протодьяконов, В.В. Ржевский, B.C. Ямщиков Г.Я. Новик, Е.В. Окользин, М.А. Иофис, A.M. Демин, О.П. Якобашвили и другие.

Существ)тот различные методы изучения трещиноватости: геологические - по данным разведочного бурения и по обнажениям, горно-геометрические и геофизические.

Геологические методы часто дают искаженную информацию о состоянии массива (занижение значения интенсивности трещиноватости, завышенный ожидаемый выход сырья из массива и т.д.) и, к тому же, в нынешних условиях достаточно дорогостоящи.

Геофизические методы, в основном, позволяют получить адекватную оценку состояния массива, но их инструментальная база требует тщательной подготовки в предполе-вой период, а также в достаточной мере зависима от климатических условий .

В последнее время на лидирующих позициях находится группа горногеометрических методов (Н.Т. Бакка, Е.В. Киселевский, В.В. Никитин, Ю.Г. Карсеев и др.), но при относительной их оперативности и дешевизне они подчас требуют значительного количества полевых данных, что сводит на нет вышеназванные преимущества.

Анализ литературных источников и данных практики показал, что одним из наиболее приемлемых для использования является вероятностно-статистический метод МГИ-МГТУ, разработанный в 1980-1991 гг. Он позволяет оценить всю гамму структурных блоков, слагающих массив, но и он не свободен от недостатков.

Самым главным вопросом, не получившим отражения в вфоятносшо-статистическом методе, является правомерность прогнозирования параметров систем трещин в глубь массива по тем данным, которые определены по поверхности обнажения (скальный выход, борт горной выработки). Утверждение, что значительное (200-500) число замеров гарантирует неизменность полученных характеристик системы, не является бесспорным, так как развитие в пространстве системы трещин и определяется величиной размаха значений утла простирания Я (а) и расстоянием между трещинами (1С, м). В этом случае при значениях Ra=30°, lc=0,2 м и числе трещин в системе, равном 100, граничные трещины пересекутся между собой уже через 40 м. Факт пересечения свидетельствует о том, что для условий этого примера система трещин с приведенными параметрами перестанет быть таковой, что сводит на нет полученные ранее результаты. Дополнительным отрицательным фактором является само значение 40 м - предельной длины «существования» системы трещин как горно-геометрического понятия и параметра структуры массива - которое не может характеризовать площадь месторождения в целом, или, хотя бы, его большую часть.

«Исчезновение» системы трещин происходит тогда, когда ограничивающие ее трещины пересекутся. Расстояние от поверхности обнажения до точки пересечения назовем границей распространения системы и будем обозначать ееДд (рис. 1)- Из этого следует, что

= ^ м (1)

где 1ст - длина станции (участка) замеров, м.

\ /

Рис. 1. Схема к определению границ экстраполяции параметров систем крутопадающих природных трещин вглубь массива

Из выражения (1) следует, что значение ,'[п зависит от «размаха» значений углов простирания К а или падения Ир системы трещин и длины участка замеров 1 ст. Из приведенной формулы, задавшись постоянным значением «размаха» а или Р и необходимой величиной Дц, можно определить необходимую длину участков замеров:

Отметим, что для структурно-однородных участков значение в формуле (2) будет представлять собой сумму длин всех замерных станций, вошедших в него, что в практическом плане позволяет производить измерения на станциях длиной 5-15 м.

Изложенный метод проиллюстрируется расчетами, выполненными для условий Бо-городицкого месторождения известняков (Тульской обл.), результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ГРАНИЦ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ КРУТОПАДАЮЩИХ ТРЕЩИН ТУЛЬСКИХ ИЗВЕСТНЯКОВ НА БОГОРОДИЦКОМ

УГОЛЬНОМ РАЗРЕЗЕ ВГЛУБЬ МАССИВА

Номер системы 1 П Ш 2 Примечание

Д'(а). м 15,2 35,6 49,7 -

Д'(Р). м 123,7 114,5 33,0 -

Н, % 25.5 17.6 9,8 52.9

Д'п • Н'с Для а 387,6 626,6 487,1 1501,3 Д'(а)= 30 м

Дляр 3154,3 2015,2 323,4 5492,9 Д'(Р)=104м

Полученный результат свидетельствует, что даже при локальном развитии выделенных систем трещин, их параметры можно считать достоверными на участке месторождения длиной (в плане) в 30 м в обе стороны от замерных станций и в глубь массива - 104 м. Данные значения позволяют считать установленные параметры систем надежными только для запасов первой очереди отработки, что вызывает необходимость корректировки параметров сети трещин в процессе эксплуатации месторождения.

Как известно, расчлененность массива трещинами оказывает существенное влияние на его гсомеханическое состояние. В частности, при расчете коэффициента запаса устойчивости борта разреза большое влияние на него оказывает величина сцепления в массиве, используемая в дальнейших расчетах. В современных методиках рекомендуется уточнять его в каждом конкретном случае, предварительно рассчитывая лишь его приближенное значение.

Одним из вопросов, не имеющих однозначного толкования, является определение среднего линейного размера структурного блока в массиве. Как было указано выше, вероятностно-статистическим методом учитываются не только две наиболее развитые в массиве, а все системы крутопадающих трещин, что позволяет принимать в расчет всю гамму структурных блоков, слагающих массив.

Между размерами структурных блоков и величинами сцепления в массиве существует зависимость с устойчивой корреляционной связью.

Для определения формы этой зависимости применительно к тульским известнякам, нами были проведены исследования на 6 разрезах Подмосковного утольного бассейна.

Суть исследований состояла в следующем.

Испытывались образцы известняка со всех разрезов для определения величины сцепления в них. По каждому месторождению отбирались одинаковые серии образцов, выпиленных из структурных блоков. Размеры в каждой серии варьировались от 5x5 до 40x40 см. Оказалось, что чем меньше размер образца, тем величина сцепления в нем боль-

ше. После определения величин сцепления в каждом образце, определялся средний линейный размер образца в серии и соотносился к средней величине сцепления в ней.

При переносе исследований на массив, была получена линейная зависимость величии сцепления в массиве от средних линейных размеров структурных блоков. Средние линейные размеры стр}тстурпых блоков в массиве для каждого месторождения рассчитывались вероятностно-статистическим методом, а величины сцепления были получены по данным литературных источников.

По результатам проведенных исследований был построен график зависимости соотношения величин сцепления в образце и в массиве от значений соотношения средних линейных размеров образцов к размерам структурных блоков в массиве (рис. 2). Результаты исследований представлены в табл. 2.

1,0

ГЦ 1

ж

^ V

\\ \ \

\

г "г/1 \ ^

к-fit)

Рис.2. Зависимость между размерами структурных блоков и величинами сцепления в образцах и в массиве

Таблица 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ КАРБОНАТНЫХ УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД НА ДЕЙСТВУЮЩИХ РАЗРЕЗАХ

1т/1'т 0,32 0,36 0,40 0,47 0,75 1,0

Со / См 1,70 1,40 1,10 0,80 0,60 0,5

Таким образом, установлено, что искомая зависимость в указанных пределах имеет форму гиперболы. При этом исследуемые параметры тесно коррелируют между собой (Ккор = 0,89), а следовательно, зная результаты камеральной обработки данных и лабораторных испытаний можно фазу определять величину сцепления в массиве для исследуемых известняков.

Получение достоверных данных о степени нарушенное™ массива трещинами не отражает полную картину геомеханического состояния массива.

Длительное время в ИПКОН АН СССР, а позже РАН проводились работы по мониторингу состояния массива горных пород сейсмо-акусгичсскими методами. Но акустические исследования (к примеру с использованием ультразвуковых коррелометров различных типов) возможно проводить лишь на структурных блоках, отделенных от массива, причем в теплое время года.

Основным требованием к качеству блоков является отсутствие дефектов структуры, как видимых, так и скрытых. Действующий в СНГ стандарт на блоки из природного камня для производства облицовочных изделий (ГОСТ 9479-84) регламентирует для выявления скрытой трещиноватости ультразвуковой контроль блоков.

Но в связи с тем, что блоки пилят чаще всего сами добытчики, контроль качества (в связи с отсутствием аппаратуры и ее дороговизной, а также специальных служб) на предприятиях, как правило, не ведется.

Таким образом, возникает необходимость создания такого метода дефектоскопии состояния массива, который позволил бы оценивать природные блоки непосредственно в массиве в соответствии с требованиям ГОСТа, был бы недорог, оперативен и позволил бы не принимать в расчет погодные условия.

На основании проведенных в рамках диссертационной работы исследований был разработан комплексный метод оперативной оценки крепости структурных блоков с использованием склерометра ОМШ-1, производимого предприятиями оборонной промышленности для определения прочности строительных бетонов методом упругого отскока.

В качестве объекта исследований был выбран Богородицкий разрез ОАО «Тула-уголь», как наиболее характерный для Подмосковного бассейна.

Вскрышные породы разреза представлены глинами и песками, включающими 4 пласта известняка мощностью от 0,6 до 15,0 метров, приуроченных к тульскому горизонту (рис. 3).

После отбраковки был выделен для исследований 1-й пласт выше указанных известняков серо-голубого цвета, мощностью 4,5 м.

- ПРС 1~~~ 1 - ГЛИНА

' • '•' I ~ ПЕСОК [ч 1 1.--I иьвнстн?

- СУГЛИНОК ^т ~ УГО-ПЬ

,-,-tt

Ьл - ИНАЕКС П-ПАСТОЬ

Рис. 3. Усредненный схематический разрез Бегичевского месторождения В первую очередь вероятностно-статистическим методом определялась природная блочность пласта. Этот горно-геометрический метод исследования структуры скального массива базируется на прямых измерениях элементов залегания природных трещин по естественным или искусственным обнажениям, которые производятся на замерных станциях.

Замерные станции располагались на рабочем борту участка № 3 Богородицкого разреза параллельно подвиганшо фронта горных работ в районе выхода пластов тульских известняков на поверхность вскрышного уступа. Измерения пространственных параметров трещин проведено на участке длиной около 150 м.

Обработка результатов полевых измерений показала наличие в массиве структурных блоков III-V групп по ГОСТ 9479-84, которые без больших материальных и трудовых затрат возможно добыть в весьма сжатые сроки. На рис. 4 приведено распределение природных блоков 1-го пласта тульских известняков.

/,

Группь<

Рис. 4. Содержание б массиве структурных природных блоков по ГОСТ 9476-84

Вторым этапом исследований явилось определение значений пределов прочности тульских известняков при сжатии на тех участках, природная блочносгь которых определена как достаточная для добычи товарных блоков.

Участок испытания был выбран на той же площади, где располагались станции замеров трещин. Измерения производились по плоскостям напластования блоков и по их торцовым плоскостям, как показано на рис. 5.

—- порядковые номбРА блОКОв;

— тоже по плоскостям НАПЛАСТЛвлШЛ^ »

Рис. 5. Методика оперативной дефектоскопии структуры скальных массивов

Средняя величина отскока индентора по структурному блоку определялась раздельно для каждой из его плоскостей:

Z о Т

0 1 = —- усл. ед. (3)

ПОГ, С

где SOT - сумма отскоков индентора, усл.ед.;

"огне ' количество откосов, шт. Для тарирования шкалы склерометра использована формула:

О г

МПа (4)

где О сж - среднее значение предела прочности при одноосном сжатии

для данной породы, определяемая по данным разведочного бурения, МПа;

ОТ - средняя величина отскока индентора, усл. ед. В результате обработки данных полевых измерений (табл. 3) удается получить прочностные характеристики структурных блоков в массиве (табл. 4) при любых погодных условиях.

Таблица 3

РЕЗУЛЬТАТЫ СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БЛОКОВ ТУЛЬСКОГО ИЗВЕСТНЯКА

Ж№ блоков 1 2 3 4 5 6 7 8

по напла- 28,32, 40, 36, 24,32, 28,30, 26, 20, 26,24, 24, 28, 28, 24,

стованию 30,32 36,40 36, 30, 32 22,20 20,26, 28 24

30 26

по торцам 36,38, 48,44. 40,42, 36,36, 28,28, 38,38, 42,36, 30,32

44 48 52 44 36 52 38

№№ блоков 9 10 11 12 13 14 15 16

по напла- 30,26, 22,22, 26,24, 32,32, 42,30, 30,28, 36,36, 26,24,

стованию 28 32 24 34 32 24 30 24

28,24, 28,30, 36,48, 28,30 28,28, 24,25 34,44 30,26

28 36 34 36

по торцам 30,32, 28,30, 36,48, 36,36, 48,44, 52,36, 40,40, 48,48,

38 36 34 42 52 32 40,40 46

№№ блоков 17 18 19 20 21 22 23 п

по напла- 42,34, 26,28 32,32, 22,22, 16,22 22,20, 24,36, 2929

стованию 26 34 20 18 36,22 103

28,32 32,42 30,32 20,20,

28,30 28,36 24

по торцам 46,44, 42,32, 52,56, 38,36 34,22, 30,30, 36,42, 2776

52,44 30 40,48 32 24 32 36 71

Примечание: 30, 32, 38 - величины отскоков индентора склерометра ОМШ-1в условных единицах шкалы прибора.

Таблица 4

ЗНАЧЕНИЯ СРЕДНИХ ВЕЛИЧИН ОТСКОКА ПО ПЛОСКОСТЯМ И СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ осж (МПА ) ДЛЯ СТРУКТУРНЫХ БЛОКОВ УЧАСТКА

№№ блоков 1 2 3 4 5 6

по наплас. 30,5 38 30,4 30 22 22,4

42,8 53,3 42,7 42,1 30,9 31,4

торц. пл. 393 46,7 44,7 38,7 30,7 42,7

55,2 65,5 62,7 54,2 43,0 59,9

среднее (взвеш.) 48,1 58.5 50,2 48,1 36,1 42,1

№№ блоков 7 8 9 10 11 12

по наплас. 26,7 25,3 27,3 25 24,7 31,2

37,4 35,5 38,3 35,1 34,6 43,8

торц. пл. 38,7 31 33 331,3 39,3 38

54,2 43,5 46,8 44,0 55,2 53,3

среднее (взвеш.) 45,8 38,7 41,1 38,9 44,9 47,4

№№ блоков 13 14 15 16 17 18

по наплас. 32,7 26,2 36 26 32,4 27

45,8 36,8 50,5 36,5 45,5 37,9

торц. пл. 48 40 40 47,3 46,5 34,7

67,3 56,1 56,1 66,4 65,2 48,6

среднее (взвеш.) 53.0 44,0 53,0 47,7 54,3 44.3

№№ блоков 19 20 21 22 23

по наплас. 32,9 27,:1 19 20,7 29,5

46,1 38,1 26,7 29,0 41,4

торц. пл. 49 35,3 26,7 30,7 38

68,7 49,6 37,4 43,0 53,3

среднее (взвеш.) 54,3 41,5 33,1 33,7 46,5

30,5 — величина среднего отскока по плоскости, усл. ед.;

Примечание: _

42,8 - предел прочности при сжатии, МПА

В связи с тем, что функции рассматриваемых распределений неизвестны, за исключением того, что они непрерывны по всей области значений и представлены в интервальной форме, наиболее целесообразно использовать в этих условиях критерий Колмогорова-Смирнова.

Статистическая гипотеза, проверяемая данным критерием, заключается в предположении, что непрерывные функции распределений двух генеральных совокупностей, из которых извлечены выборки (XI,... х„)и (у1,... у„), идентичны друг другу. Для проверки гипотезы используется статистика

Впип2 = тах //•>!, А) - Ст2 (У) I, ( 5 )

-оо< X <4оо

где Кп] и Сгп2 - эмпирические функции распределений, построенные по

выборкам(х, ... х„)и(у] ... у„). Если гипотеза верна, то величина

\'П[+И2 /П1» 112 • Кьа, (6)

где 11] и 112 - число наблюдений в сравниваемых выборках,

К1-а- квантиль распределения Колмогорова, а - доверительная вероятность, меньше эмпирической ВП1П2. В данном случае имеются две выборки значений отскоков индентора склерометра (ОТ) и пределов прочности тульских известняков при одноосном сжатии (ссж) (табл. 5,6).

Таблица 5

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ОТСКОКОВ ИНДЕНТОРА СКЛЕРОМЕТРА

Интервалы амплитуды отскока 16-21 21-26 26-31 31-36 36-41 41-46 46-51 51-56

Число отскоков 8 34 38 50 15 16 8 5

Вероятность, доли ед. 0,05 0,19 0,22 0,29 0,09 0,09 0,05 0,03

Середина интервала, усл. ед. 18,5 23,5 28,5 33,5 38,5 43,5 48,5 53,5

Таблица б

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ <тСж, МПа

1 Интервал 22,8-34,1 34,1-45,4 45,4-56,7 56,7-68,0 68,0-79,3 79,3-90,6

| Число значений 3 7 7 6 2 1

Подготовленные к анализу распределения ОТ и <тсж представлены в табл. 7 .

Таблица 7

АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ОТ И сСж Значения ОТ, усл. ед_Значения Стсж, Мпа_

Интервал Пннт Ринт р 1 накопл Интерват Пцнт Рннт Рнакопл

16-21 8 0,05 0,05 22,8-34,1 3 0,12 0,12

21-26 34 0,19 0,24 34,1-45,4 7 0,26 0,38

26-31 38 0.22 0,46 45,4-56,7 7 0,26 0,64

31-36 50 0,29 0,75 56,7-68,0 6 0,24 0,88

36-41 15 0,09 0,84 68,0-79,3 2 0,08 0,96

41-46 16 0,09 0.93 79,3-90,6 1 0,04 1,00

46-51 8 0,05 0.98 - - - -

51-56 5 0,02 1,00 - - - -

2 174 1,00 - £ 26 1,00 -

Примечание: Ригт - частость (эмпирическая вероятность) значений для данного ин-

тервала (Ринг = Пннг / 2 п)

Рмкош— накопленная частость значений признака.

По накопленным частосгям интервальных значений ОТ и а™ построены ступенчатые функции распределения анатизируемых параметров, где графическая величина интервалов приведена к равным значениям.

Наибольшая величина статистики й наблюдается для интервала (26-31, усл. ед.) значений ОТ и интервала (45,4-56,7, МПа) значений осж> где О = 0,18.

Величина критерия Колмогорова-Смирнова для уровня значимости 0,95 вычислялась по ф-ле ( 5 ):

1,628.^174+26 /174.26 = 0,34.

Эмпирическое значение Вото (0,18) оказалось меньше критического значения Вот>(, = 0,34, что подтверяадает исследуем)то гипотезу и позволяет сделать вывод о возможности оценки прочности массива по результатам склерометрических исследований.

Дополнительным аргументом в пользу полученного результата явилось то, что вышеназванные характеристики находятся в тесной корреляционной связи между собой (Ккор =0,98) и линейно зависят друг от друга.

Определенные таким методом значения пределов прочности при сжатии для структурных блоков известняка используются в дальнейшем при получении исходных данных для расчета параметров устойчивости борта разреза; для расчета параметров БВР, определения схемы взрывания и удельного расхода ВВ, поскольку основной способ разработки вскрышных пород на разрезах Подмосковного бассейна - буровзрывной.

Следующей стадией исследований явилась проверка положения о том, что результаты склерометрии структуры массива могут служить основой для оценки качества блочного сырья согласно требованиям ГОСТ 9479-84.

Известно, что взаимосвязь между коэффициентом крепости пород по М.М Прото-дьяконову (/) и скоростью распространения продольных ультразвуковых волн (У0), полученных при исследованиях отдельных серий образцов пород различного состава и генезиса, устойчива и описывается квадратичной зависимостью.

Почти все корреляционное поле хорошо перекрывается этой параболой с 30% максимальным отклонением.

На основании результатов многолетних исследований О.П. Якобашвили (ИГЖОН РАН) была предложена к использованию номограмма, выражающая зависимость скорости ультразвуковых волн от коэффициента крепости горных пород по М.М. Протодьяконову. Но далеко не всегда удается измерить скорости ультразвуковых волн в массиве. К тому же работа с номограммой, представленной О.П. Якобашвили, затруднена из-за пологости нижней части графика, как например в случае определения / карбонатных пород.

На основании вышеизложенного было определено, что для нахождения значений V» по значениям /, получаемых при дефектоскопии структуры массива предлагаемым геомеханическим методом, необходимо преобразовать исходную зависимость, выразив V,, как неизвестное:

0,05Г;+0.15<Г;-/ = 0 (7)

Выражение (7) можно представить в виде полного кубического уравнения:

о.о5''/+о.15;;2 + о-г;-/ = о> (8)

(8)

у которого коэффициенты при неизменном Г0 равны а=0.05, Ь~0.15, с=0. Так как коэффициент а?0 , уравнение (8) можно привести к каноническому виду.

Корни уравнения находятся по формуле Кардано, или для рассматриваемого уравнения Г0:

Завершающим этапом исследования карбонатных пород вскрыши явился разработанный метод определения коэффициента выхода товарных блоков из массива.

Одной из важных характеристик оценки месторождений облицовочного камня является величина выхода из массива товарных блоков, отвечающих ГОСТ 9479-76, определяющая целесообразность отработки разведанных запасов. Расчетное определение этого показателя (Кв) основывается на следующих предпосылках.

Структурные блоки, слагающие массив, имеют основания, представляющие в общем случае параллелограмм (рис. 6). В то же время согласно ГОСТ, основание товарного блока должно иметь форму, близкую к прямоугольной, а сам блок - форму правильного параллелепипеда, что достигается пассировкой естественных блоков в карьере; при пассировке меняется только форма основания естественного блока, а его высота, как правило, остается неизменной. В результате обработки объем товарного блока всегда меньше объема структурного блока, и это уменьшение закономерно определяет выход товарных блоков из массива при его разработке, что дает возможность определить коэффициент выхода блоков из массива по формуле:

где

/ - коэффициент крепости горной породы (/=аслЛОО, где ссж - предел прочности при сжатии горной породы данного структурного блока, определяемый при помощи склерометрии, МПа).

ж & = 1 - а ' ~ а

(10)

где

межтрещинные расстояния систем, ограничивающих основание структурного блока данной группы;

азимуты простирания этих же систем;

п

с,

содержание в массиве структурных блоков данной группы; число блоков данной группы, участвующих в определении Кв.

В формуле (10) под знаком суммы стоит аналитическое выражение отношения площади основания товарного блока к значению структурного блока, из которого он может быть получен.

Для карбонатных пород Богородицкого разреза (по исследованному обнажению), к Ш группе относятся 6 блоков с Cv = 1,7%. По данным расчета параметров блочности, эти блоки имеют средние площади оснований 1,08 и 1,34 м2 и соответствуют интервалам группировки значений Si (0,9 - 1,2) и (1,2 - 1,5) м2. В указанных классах находятся блоки I порядка с Si = 1,03 и 1,34 м2, образованные I и II и I и III системами трещин, с межтрещинными расстояниями 0,84; 1,25 и 2,18 м соответственно.

Подставив в формулу (10) значение п 2 и X 1,68, получим Кв = 1,4% для всего участка отработки. Величина Кв, при мощности пластов 0,5 - 0,7 м, составит 21% блоков 1У группы по ГОСТ 9479-76.

Для оценки экономической эффективности предлагаемого решения задачи, был проведен анализ целесообразности организации на Богородицком разрезе собственного перерабатывающего цеха по производству облицовочных изделий из карбонатных пород вскрыши.

Результаты расчетов показали, что проект является привлекательным для инвестора. Проектируемое производство через 5 лет станет приносить прибыль владельцу и позволит в целом по предприятию снизить себестоимость добываемого угля за счет вовлечения в разработку тульских известняков. Помимо этого, в результате предлагаемой формы конверсии данного предприятия появляется возможность занять в новом производстве до 40-45% горняков разреза в случае его ликвидации или консервации.

Заключение.

В диссертационной работе, на основании выполненных исследований и разработок, дано научно обоснованное решение актуальной прикладной проблемы, имеющей важное практическое значение для горнодобывающих предприятий Подмосковного бассейна -разработан метод оценки геомеханического состояния массива карбонатных углевмещаю-щих пород, позволяющий установить целесообразность промышленной разработки известняков с целью получения материалов строительного назначения. Получены также следующие научные и практические результаты:

1. Доказано, что параметры трещиноватости массива постоянны только в некотором его обьеме. Границы этой области, как по площади месторождения, так и в глубь массива, вычисляются на основе установленной взаимосвязи между размахом значений утло-вых величин в системе крутопадающих трешин и длиной участка их замеров.

2. Установлено, что соотношение величин сцепления в образце и в массиве находится в гиперболической зависимости от соотношения средних линейных размеров образцов и структурных блоков массивов. Исследованные параметры теспо коррелируют между собой, а следовательно, зная результаты камеральной обработки данных и лабораторных испытаний, можно по построенной результирующей номограмме фазу определять величину сцепления в массиве для исследуемых известняков.

3. Показано, что результаты склерометрических исследований на обнажениях можно использовать для оперативного определения крепости исследуемых известняков на основании доказательства того, что значения величин пределов прочности при сжатии структурных блоков массива и амплитуды отскока индентора склфометра ОМШ-1 находятся в линейной зависимости друг от друга, распределяясь по нормальному закону.

4. Обосновано осуществление предрасчета основных технических и технологических показателей совместной разработки угля и известняка путем использования в качестве основного критерия рассчитываемого коэффициента выхода товарных блоков из массива, па величину которого влияют межтрещинные расстояния систем, ограничивающих основания структурных блоков, и процентное содержание этих блоков в массиве.

Основными составляющими разработанного метода оценки состояния и прочностных характфисгик трещиноватого массива являются:

□ оценка трещиноватости и блочности массива;

□ склерометрические исследования на обнажениях;

В результате ингфпретации результатов исследований может быть осуществлено решение следующих практических задач:

1. По результатам оценки трещиноватости и блочности:

□ опредатение целесообразности вовлечения в разработку исследуемой строительной горной породы в качестве материалов строительного назначения (товарные блоки, стеновой камень и т.п.);

□ прогноз выхода товарных блоков из массива при его разработке;

□ определение рационального расположения фронта горных пород и оптимизация параметров добычного и пферабатывающего оборудования;

□ обоснование конкретных мероприятий по проведению мониторинга состояния

борта разреза при совместной разработке угля и строительных горных пород.

2. По результатам склерометрических исследований:

□ оценка прочности извлекаемых из массива товарных блоков с определением их соответствия требованиям ГОСТ;

О определение основных показателей БВР (удельного расхода ВВ, типов зарядов ВВ, схемы взрывания блока и т.д.);

□ обоснование ряда мероприятий по безопасному ведению горных работ на разрезе.

Комплексом выполненных исследований доказано, что предлагаемый метод оценки состояния и определения прочностных характеристик массива карбонатных углевмещаю-щих пород позволяет отказаться от усредненного представления об изучаемом и разрабатываемом массиве.

Кроме того, разработанный метод позволяет восполнить недостаточность геотехнической информации, получаемой при испытании образцов в лабораторных условиях, обеспечивая индивидуальный подход к каждому конкретному угольному разрезу.

Исследования доказывают, что разработанный метод может применяться для исследования геомеханического состояния массива скальных и полускальных горных пород.

На основании выполненного анализа расчетных экономических показателей цеха по переработке известняка применительно к условиям Богородицкого разреза ОАО "Тула-уголь" показана прибыльность предприятия через 5 лет с начала его строительства при инвестировании $ 850000.

Основные положения и содержание диссертационной тработы отражены в следующих научных публикациях:

1. А.Н.Анощенко. "К вопросу комплексного освоения угольных месторождений Подмосковного бассейна."/ Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГТУ, № 5 за 1995 г.

2. А.Н.Анощенко. "Метод геомеханического контроля качества блочного камня на угольных разрезах Подмосковного бассейна."/ Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, № 4 за 1995 т.

3. А.Н.Анощенко. "Экономическая целесообразность вовлечения в разработку уг-левмещающих карбонатных пород действующих разрезов»/ Горный инфоршционно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, № 5 за 1996 г.

4. Н.Н.Анощенко, А.Н.Анощенко. «Прогнозирование качества товарных блоков природного камня и выхода плит при их распиловке». / Горный журнал, М.: ИД «Руда и металлы», № 7 за 1998 г.