Разработка инженерно-геологических методов оценки влияния скважинной гидродобычи на массив горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.01, кандидат технических наук Колесников, Василий Ильич

• Колесников, Василий Ильич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесников, Василий Ильич

Введение

1 Анализ горно-технологических особенностей скважинной гидродобычи ^

1.1 Технологические решения

1.2 Развитие выработанного пространства

1.3 Горно-геологические информационные системы

1.4 Скважинные методы контроля сдвижения

1.5 Задачи исследований

2 Геолого-геомеханическая модель месторождения

2.1 Геологическое обеспечение модели

2.2 Инженерно-геологическое обеспечение модели

2.3 Геомеханический прогноз естественной силовой обстановки

3 Натурные наблюдения за сдвижением с использованием естественных радиоактивных реперов

3.1 Прямая задача о смещениях реперов

3.2 Анализ стабильности реперов

3.3 Реперная станция СГД

4 Сдвижение рудного массива и покрывающей толщи пород в зоне гидродобычных работ

4 .1 Результаты натурных наблюдений и их интерпретация 4 .2 Прогноз сдвижения массива при условии максимизации нагрузки на скважину ^^

4.3 Реализация результатов работы на

Гостищевском месторождении ^^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка инженерно-геологических методов оценки влияния скважинной гидродобычи на массив горных пород»

Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития принципиально новых горных технологий являются скважинные методы разработки твердых полезных ископаемых. Скважинная гидродобыча (СГД) обеспечивает быстрое развертывание и ведение добычных работ практически в любой заданной точке рудного тела. Технология позволяет гибко изменять состав и качество добываемого полезного ископаемого. Способ также расширяет диапазон горногеологических условий, доступных для безопасного освоения, за счет возможности добывать неустойчивые обводненные полезные ископаемые под мощной толщей пород. Наиболее перспективными являются предприятия СГД, добывающие сырье высокого качества. Так, рыхлые железные руды КМА в недрах содержат 61—63 % железа, добытые способом СГД — 66—67 %, а традиционным подземным способом — 60—62 %. При этом в продукте СГД существенно уменьшается содержание кремнезема, глинозема, фосфора, серы, щелочноземельных элементов, обеспечивая получение весьма дефицитного суперконцентрата. Цена продукции СГД в этом случае (2 6— 28 долл./т) значительно превышает цену рядового концентрата (18—19 долл. /т) /1/.

Однако сегодня промышленная технология разработки месторождений твердых полезных ископаемых способом СГД пока еще не создана, в стране нет ни одного промышленного рудника по скважинной гидродобыче. В значительной мере применение СГД ставится под сомнение уже на стадиях предварительных проектных проработок из-за невозможности однозначного ответа на вопрос о характере деформирования массива и дневной поверхности. Решение этих вопросов будет способствовать развитию СГД полезных ископаемых. Поэтому разработка инженерно-геологических методов оценки влияния СГД на массив горных пород является актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР института ВИОГЕМ (научно-исследовательская работа № государственной регистрации 0196009621), где автор принимал участие как исполнитель. Диссертация соответствует ХЛПрограмме создания и освоения технологии скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА" (приказ Мингео СССР и МЧМ СССР № 216/314) и проекту Миннауки РФ "Создание технологии скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых" (приказ Миннауки РФ № 054 от 31.03.1992 г.)

Цель работы - разработка инженерно-геологических методов оценки состояния массива горных пород, обеспечивающих повышение обоснованности применения и эффективности технологии СГД за счет опережающего прогноза и текущего контроля процессов сдвижения горных пород.

Идея работы заключается в использовании естественной радиоактивности слоев в качестве реперов для оценки сдвижения горного массива.

Новизна работы заключается в установлении закономерностей процесса сдвижения массива горных пород при СГД с использованием геолого-геомеханических моделей месторождений и скважинных наблюдений за сдвижением толщи массива .

Основные научные положения, разработанные лично соискателем.

1.Оценка эффективности применения СГД на стадии предварительного выбора способа отработки месторождения обеспечивается созданием модели участков отработки месторождений на основе баз данных геологической информации, учитывающей изменение конфигурации зоны ведения горных работ при различных значениях бортового содержания полезного компонента, инженерно-геологические условия и естественную силовую обстановку массива.

2. Контроль сдвижения мощной обводненной толщи слабых пород обеспечивается методом скважинных наблюдений, использующим естественные радиоактивные реперы, с учетом мощности реперной аномалии, разности горизонтов реперов в рабочей и опорной скважинах и соотношения модулей деформации реперного слоя и массива.

3.Предельная технологическая нагрузка на гидродобычную скважину зависит от характера протекания процесса сдвижения, определяемого формой выработанного пространства на начальном этапе отработки скважины.

В качестве основных методов исследования приняты анализ и обобщение информационных источников, фондовых материалов, лабораторные исследования, методы математической статистики, численное моделирование на ЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается

- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальной оценки сдвижения массива по предлагаемому методу с другими известными методами; погрешность результатов измерений не превышает 15-20%; коэффициенты корреляции зависимостей не ниже 0,9;

- положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций в практику проектирования СГД.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей сдвижения массива в зоне влияния работ СГД и определении метрологических характеристик метода наблюдений за сдвижением с использованием естественных радиоактивных реперов.

Практическая значимость работы состоит в разработке геолого-геомеханических моделей, используемых для оценки применимости технологии СГД при изменяющемся граничном содержании полезного компонента в рудном теле, и применении метода естественных радиоактивных реперов для контроля процесса сдвижения обводненных массивов на больших глубинах.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационного исследования использованы институтом Центрогипроруда для разработки технического проекта по освоению Гостищевского месторождения КМА способом СГД.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на 5-м Международном симпозиуме "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, 1999) , на научных семинарах института ВИОГЕМ, кафедр геологии и маркшейдерского дела и геодезии МГГУ.

Автор выражает признательность научному руководителю д.т.н Журину С.Н и руководству НИИ ВИОГЕМ (академику МАМР, к.т.н. Ю.В.Пономаренко и д.т.н., проф. В.И.Стрельцову) за помощь в организации и проведении исследований .

Заключение диссертации по теме «Маркшейдерия», Колесников, Василий Ильич

Выводы

1.Сдвижение при СГД рассматривается как цепь обрушений с сохранением общей вертикальной направленности развития процесса сдвижения. Зона сдвижения при СГД имет tos воронкообразную форму с субвертикально ориентированной осью вдоль добычной скважины и расширением под основным породо-мостом.

2.Форма и параметры зоны сдвижения определяют предельную технологическую нагрузку на гидродобычную скважину.

3.При СГД в регионе КМА принципиально возможны два варианта развития процесса сдвижения, контролируемые основным породо-мостом, присутствующим повсеместно на месторождениях богатых железных руд. Первый вариант развития сдвижения соответствует обрушению кровли полости рудного массива и выходу под известняки сосредоточенной полости изометричных размеров. Этот вариант наиболее опасен и достигается при нулевом коэффициенте разрыхления руды. Второй вариант соответствует сравнительно спокойному прогибу, сдвижению и разуплотнению массива в обширной зоне над выработанным пространством и выходу под породо-мост области плавных сдвижений. Ожидаемая форма сдвижения - плавное оседание с выходом на поверхность мульды сдвижения небольших размеров без разрывов сплошности поверхности. Для типичных рассматриваемых условий КМА наиболее вероятен второй вариант развития сдвижения.

А Об

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки инженерно-геологических методов оценки влияния скважинной гидродобычи на массив горных пород, обеспечивающих повышение обоснованности применения и эффективности технологии СГД за счет опережающего прогноза и текущего контроля процессов сдвижения горных пород.

Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1.Оценка эффективности применения СГД на стадии предварительного выбора способа отработки месторождения обеспечивается с помощью геолого-геомеханической модели месторождений. Использование баз данных геологической информации для визуализации формы рудного тела при изменении бортового содержания позволяет выявить разделение рудного тела на изолированные зоны достаточно сложной конфигурации.

2. Произведено прогнозное районирование залежи по фактору напряженного состояния массива. Установлено, что на разных участках рудной залежи устойчивость выработанных пространств одинаковых размеров будет отличаться даже при расположении зоны добычи на одинаковой глубине за счет неоднородности естественного поля напряжений, достигающей 30%.

3. Установлено, что использование естественных радиоактивных реперов позволяет определять сдвижение толщи массива до глубины 8 00 метров.

4.Установлено, что наиболее стабильны реперные аномалии, имеющие эпюры прямоугольной формы и в форме равнобедренного треугольника. Коэффициент вариации среднего значения измеренных смещений для 64,8% реперных слоев не превышает 10%, для 7 9,6% - 25%.

5.Доказано, что при прочих равных условиях смещения реперного слоя связаны с соотношением модулей реперного слоя и массива логарифмической зависимостью, и метод перестает обеспечивать чувствительность измерений при превышении сотношения модулей реперного слоя и массива, равного 10. Смещения массива могут фиксироваться наблюдениями за естественными аномалиями в пределах зоны влияния выработанного пространства, составляющего в упругом режиме деформирования до 2 радиусов выработанного пространства.

6.Выявлено, что средняя величина регистрируемых смещений реперных слоев не зависит от разности горизонтов расположения реперов в рабочей и опорной скважинах. Подтверждена ранее установленная независимость погрешности измеряемых смещений от абсолютной глубины расположения реперов. Максимальная величина стандартного отклонения измеренных смещений для наихудших условий не превышает 0,03% от глубины.

7.Рассматривая сдвижение при СГД как цепь обрушений с сохранением общей вертикальной направленности развития процесса сдвижения, определено, что зона сдвижения при СГД имет воронкообразную форму с практически вертикально ориентированной осью вдоль добычной скважины и расширением под основным породо-мостом.

8.При СГД в регионе КМА принципиально возможны два варианта развития процесса сдвижения. Первый вариант развития сдвижения соответствует обрушению кровли лоь полости рудного массива и выходу под известняки сосредоточенной полости. Второй вариант - плавное оседание слоев без разрывов сплошности поверхности. Для типичных рассматриваемых условий КМА наиболее вероятен второй вариант развития сдвижения.

9. Особенности строения рудных тел, распределения полезного компонента в пространстве, физико-механические свойства руд и пород, а также естественная силовая обстановка ставят технологию скважинной гидродобычи практически вне конкуренции по сравнению с традиционными технологиями. Продукт СГД на месторождениях КМА представляет собой суперконцентрат с содержанием железа 66-67%, стоимость которого в 1,5 раза превышает стоимость рядового концентрата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесников, Василий Ильич, 1999 год

1. Тигунов JI.JI., Панков A.B., Бабичев Н.И. Скважинная технология добычи в условиях рыночной экономики, Горный журнал №4, 1996 г., стр. 10- 12.

2. Нетрадиционные решения в горной промышленности / Аверченков A.A., Арене В.Ж., Арский Ю.М. и др.; Под ред. Ю.А.Чернегова.-М.Недра, 1991.-331с.

3. Арене В.Ж. Научные задачи в геотехнологии. Будущее горной науки. М.: Недра. 1989. С.105-114.

4. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. М.:МГРИ, 1981, 84 с.

5. Арене В.Ж., Гайдин A.M. Геолого-гидрогеологические основы геотехнологических методов добычи полезных ископаемых. М.: Недра. 1978. 215 с.

6. Арене В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых.- М.: Недра. 1980. 229с.

7. Арене В.Ж., Шпак Д.Н. Опытно-промышленная скважинная гидродобыча разнозернистых полезных ископаемых при-неустойчивой кровле пласта. Горный журнал, 1986, №4.-С.27-29.

8. Британ И.В., Мерзликин В.К., Романщак A.A. Месторождения богатых железных руд Курской Магнитной Аномалии перспективные объекты для скважинной гидродобычи / / Технический прогресс в атомной промышленности. - 1990. -№1.- С.7-9.1ЛО

9. Ю.Шевырев И.А., Онищенко В.И., Татьянин В. Д. Геотехнологическая классификация железных руд КМА // 1-й Советско-Югославский Симпозиум по проблемам скважинной гидравлической технологии, 1991.- М.,1991.С.53-56.

10. Результаты экспериментальных работ по гидродобыче богатых железных руд на Шемраевском месторождении Курской магнитной аномалии. // Технический прогресс в атомной промышленности. 1990. - №1.- С.10-13.

11. Материалы к парламентским слушаниям «Концепция перехода России на модель устойчивого развития (экономические и региональные аспекты)», Комитет по природным ресурсам и природопользованию Государственной Думы Российской Федерации, Москва, 25.10.1994.

12. Бабичев Н.И. Проектирование геотехнологических комплексов. М.: МГРИ,1985.- 89 с.

13. Фролов П.А. Технические средства реализации скважинной гидротехнологии. / Сб. трудов 1 Советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. М., МГРИ, 1991. с.57-59.

14. Бабичев Н.И. Технологический регламент на проектирование опытного участка скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА. М.: МГРИ, 1989.-48 с.

15. Исследования и разработка предложений для опытно-методических работ по СГД на базе железных руд Шемраев-ского участка Больше-Троицкого месторождения: Отчет по НИР (заключ.) / НИИКМА. Губкин, 1989. -88 с.

16. Разработка и опытное опробование физических способов воздействия на массив и систем скважинной гидродобычи богатых глубокозалегающих руд КМА.: Отчет по НИР(заключ.)/ВНИПИПромтехнологии. М., 198 9.- 35 с.

17. Разработка гидродинамических методов расчета при СГД рыхлых железных руд КМА.: Отчет по НИР (заключ.)/ ВНИИВОДГЕО.- М., 1989.-123с.

18. Бабичев Н.И. Использование метода предельного равновесия для расчета параметров горных выработок при СГД. // Труды 1 Советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии.1. М.,1991.С.93-98.

19. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках.-М.: Углетехиздат, 1954.иг

20. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях / Кузнецов М.А., Акимов А.Г., Кузьмин В.И. и др. М., Недра, 1971.

21. Бахурин И.М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. J1.-M. Гостоптехиздат, 1946.

22. Борщ-Компаниец В.И. Механика горных пород, массивов и горное давление. -М.:МГИ.1968.

23. Казаковский Д.А. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок.-М.: Углетехиздат, 1953.

24. Казикаев Д.М. Геомеханические процессы при совместной и повторной разработке руд. М. : Недра,1981.-288с.

25. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. М.: Недра,197 8.-494с.

26. Борщ-Компаниец В.И., Макаров A.B. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей. М. : Недра,1986.- 271с.

27. Медянцев А.Н., Полонский В.И. расчет границы влияния подземных выработок на земную поверхность при неполной подработке. Изв. Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 1974, №4, с. 17-19.

28. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольныхместорождениях/ Министерство угольной промышленности СССР.-М.,Недра,1981.-288с.

29. Временные правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород / Министерство угольной промышленности СССР,ВНИМИ.-Л.,198 6.-7бс.

30. Моделирование процессов сдвижения массива горных пород при отработке богатых железных руд способом скважинной гидродобычи. Отчет о НИР/ ВИОГЕМ. Рук. работы Жу-рин С.Н., шифр 3-12-3-А-119-88. Белгород, ВИОГЕМ, 1989 г. 106 с.

31. Разработать подсистему контроля состояния массива системы экологического мониторинга ведения горных работ способом скважинной гидродобычи. Отчет о НИР/ ВИОГЕМ. Рук. работы Журин С.Н., шифр 3-12-3-А-81-92. Белгород, ВИОГЕМ, 1992 г. 75 с.

32. Казикаев Д.М. Совместная разработка месторождений открытым и подземным способом. М.: Недра, 1967.

33. Катков Г.А. Исследование горного давления с применением фотоупругих элементов. М. : Наука, 1978. 98с.

34. Орлов Г.В. Влияние сдвижения горных пород на деформации обсадных колонн в условиях Ангренского месторождения. -Тр. ВНИИПИПромгаза, вып.З. М., Недра, 1969, с. 171-177.

35. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород.- JI. : Недра, 1977. 503 с.

36. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.:Недра,1982. 296с.

37. Певзнер М.Е., Дарыкина Т.А., Кононов В.В. Сдвижение горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых геотехнологическими способами.-Горный журнал, 1977, №4, с. 61-63.

38. Белов Ю.Д., Фельдман И.А. О влиянии подработки при безлюдной выемке угля. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. JI., ВНИМИ, 1964. С. 161-165.

39. Lemcoe М.М. , Pratt Н., Grams W. State of the art review of rock mechanics techniques for measurement of stress, displacement and strain // Proc. of the Int. Simp. (Rockstore 80), Stocholm, Sweden-1980.- Vol.2, pp. 927-943.

40. Smart B. G. D. Singh R.N., Issac A.K. A borehole instrumentation system for monitoring strata displacement in three dimensions // Int., J. Rock Mech. Min. Sei.,- 1978, Vol.15, N2 pp.77-85.

41. Хохлов И.В. Сдвижение и проницаемость подработанной толщи горных пород. М., Недра, 1980. - 176 с.

42. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. М., Недра, 1988. - 112 с.

43. The constant tension strain wire borehole ex-tensometer and its application to instrumentation of underground opening / N. Whittaker, I.M.Woodrow.- Proc. Int. Symp. of Field Meas, in Rock Mech.-Zuruch, 1977.-pp. 437-448.

44. Журин С. H. Подземные скважинные наблюдательные станции для контроля сдвижения массива с использованием радиоактивных реперов // Геомаркшейдер-1 : Тез. докл. Всесоюз. научн-техн. симпозиума. М., 1991.-С.115-116.

45. Канлыбаева Т.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве. М., Наука, 1968. - 293 с.7 3.Методические указания по новому методу измерения смещений горных пород в массиве. JI., ВНИМИ, 1972. -42с.

46. Методическое руководство по наблюдению за сдвижением горных пород с помощью радиоактивных изотопов/ ВНИМИ. Л., 1970. - 35 с.

47. А.с. 1778300 СССР, МКИ5 Е 21 С 39/00. Способ определения смещений массива горных пород / Журин С.Н., Гончаров A.B., Горбунова Г.В., Топорков A.B. (СССР).-7с.:ил.

48. Журин С.Н., Мерзликин В.К. Разработка и апробация метода контроля сдвижения массива при скважинной гидродобыче на больших глубинах. 1-й Советско-югославский

49. Геология, гидрогеология и железные руды бассейна Курской Магнитной Аномалии. М., Недра, 1970.

50. Создание базы данных скважин детальной разведки для построения геологической блочной модели Яковлевского месторождения. Отчет о НИР/ ГЕТОС. Рук. работы Журин С.Н. Шифр ГК-2-97, Белгород, 1998.- 36 с.

51. Отчет о геологоразведочных и поисковых работах, проведенных на Гостищевском месторождении Белгородского железорудного района КМА по состоянию на 01.09.1960. ВГФ, 1960 г., Русинович И.А.

52. ГОСТ 21153,0-84 и др. Породы горные. Методы физических испытаний: Сборник. Содерж.: ГОСТ 21153,0-84 -ГОСТ 21153,7-84. Группа А09 /47/.

53. Методические указания по испытанию горных пород на растяжение методом сжатия цилиндрических образцов по образующей. Л., ВНИМИ, 1969. - 21 с.

54. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. -М.: Мир, 1973. 958 с.

55. Поллард Д. Справочник по вычислительным методам статистики. М., Финансы и статистика, 1982.-34 4 с.

56. Журин С.Н., Колесников В.И., Стрельцов В.И. Геомеханический литомониторинг обводненных массивов. М., НИА-ПРИРОДА, 1997, 211 с.

57. Технико-экономическое обоснование строительства. Первый пусковой комплекс. Предприятие по добыче 250 тыс. т руды в год на Гостищевском месторождении. Книга 5. ЭО 1673-9101.1-ГО.ПЗ, «Центрогипроруда» Белгород, 1997. -105 с.

58. Нами, представителями института

59. Центрогипроруда", составлен настоящий акт, подтверждающий, что институтом использованы следующие результаты диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук Колесникова Василия Ильича .

60. Внедрение результатов обеспечивает повышение безопасности ведения горных работ.

61. Начальник технического отдела института "Центрогипроруда"

62. Начальник горного отдела института "Центрогипроруда1. Кругликов А.Г.1. Щавинский Г.В.