авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Исследование и прогноз изменчивости механических свойств соляных пород верхнекамского месторождения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Аникин Владимир Васильевич

Исследование и прогноз изменчивости механических свойств соляных пород Верхнекамского месторождения

Специальность 25.00.20

Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пермь – 2008

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения

Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Барях Александр Абрамович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Андрейко Сергей Семенович

кандидат технических наук

Глебов Сергей Валерьевич

Ведущая организация: Пермский государственный технический университет

Защита состоится "20" ноября 2008 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан "____" октября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бачурин Б.А.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Для защиты калийных рудников Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) от затопления применяется камерная система разработки, обеспечивающая сохранение сплошности водозащитной толщи, которая отделяет отрабатываемые пласты от вышележащих водоносных горизонтов. Расчет параметров камерной системы разработки для участков шахтных полей должен основываться на достоверных результатах механических испытаний соляных пород. При освоении новых перспективных участков месторождения требуется обоснование проектных параметров отработки, что, в свою очередь, связано с необходимостью прогнозных оценок механических свойств продуктивных пластов.

Соляные породы характеризуются значительной вариацией минерального состава, разнозернистой структурой, слоистостью, наличием естественной микро- и макро нарушенности. Неоднородность состава и строения соляных пород обуславливает существенное различие их поведения под нагрузкой и значительный разброс механических показателей.

Схема механического опробования, применяемая в настоящее время на рудниках ВКМС, не обеспечивает получение достоверной информации об изменчивости механических свойств соляных пород, как по площади выемочных участков, так и по мощности продуктивных пластов. Кроме того, отсутствует обоснованная система прогноза механических свойств соляных пород на участках, планируемых к освоению. Для таких оценок, как правило, используются средние для всего месторождения механические показатели.

Таким образом, исследование механических свойств соляных пород Верхнекамского месторождения, установление их зависимости от вариации состава и условий залегания представляет актуальную задачу геомеханики, а разработка на основе ее решения обоснованных методик опробования и прогноза имеет важное значение для обеспечения безопасности горных работ и защиты калийных рудников от затопления.

Цель работы – обоснование схемы опробования и методов прогнозирования, обеспечивающих достоверные оценки изменчивости механических свойств соляных пород.

Основная идея работы – установление методами математической статистики зависимости механических свойств соляных пород от вариации состава и условий залегания.

Задачи исследований:

- сформировать базу данных по результатам исследования механических свойств и химического состава пластов продуктивной толщи;

- выявить возможные корреляционные связи между механическими свойствами соляных пород, условиями их залегания и элементами химического состава;

- на основе определения доминирующих факторов разработать статистические модели, позволяющие прогнозировать прочностные свойства соляных пород;

- построить прогнозные карты распределения прочностных свойств по шахтным полям рудников ОАО «Сильвинит»;

- методами статистического анализа площадной изменчивости прочности соляных пород оптимизировать шаг механического опробования основных рабочих пластов;

- изучить изменчивость механических свойств соляных пород на участках осложнений геологического строения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Количественная зависимость средневзвешенного предела прочности основных рабочих сильвинитовых пластов АБ и KpII от условий их залегания и химического состава, выраженная в уменьшении прочности с ростом абсолютных отметок кровли, содержания нерастворимого остатка и ее увеличении с повышением содержания сульфата кальция.

2. Обоснование оптимальной сети механического опробования рабочих пластов, обеспечивающей достоверные оценки изменчивости прочностных показателей с допустимой 10 % вариацией.

3. Соляные породы в окрестности зон замещения продуктивных пластов характеризуются снижением предела прочности при сжатии и разрушающей деформации, а в зонах развития открытых трещин – увеличением жесткости и уменьшением прочности при растяжении.

Научная новизна:

1. На основе корреляционного анализа определены факторы, значимо влияющие на прочность соляных пород рабочих пластов KpII и АБ сильвинитового состава.

2. Построены статистические модели, позволяющие оценить величину средневзвешенного предела прочности соляных пород в зависимости от условий залегания и химического состава.

3. Обоснована схема минимального объема опробования сильвинитовых пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверную оценку их средневзвешенного предела прочности на одноосное сжатие.

4. Экспериментально установлено, что в соляной толще, залегающей над рифогенными структурами, отмечается снижение прочности и увеличение деформативности пород, приуроченных к склоновой части рифов, и проявление пластичности в верхних интервалах разреза над его сводовой частью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом материалов для статистических исследований, строгой постановкой теоретических задач, корректным применением аппарата математической статистики, удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических значений исследуемых механических параметров.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика прогнозирования механических свойств, позволяющая оценить прочностные параметры соляных пород на изучаемых и отрабатываемых участках месторождения при отсутствии результатов прямого механического опробования.

2. Предложена методика механического опробования рабочих пластов KpII и АБ, обеспечивающая достоверные оценки распределения прочностных свойств по площадям шахтных полей и мощности продуктивных пластов.

Реализация результатов работы. Методика механического опробования используется на рудниках ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий» при определении механических свойств рабочих пластов. Методика прогнозирования механических свойств применяется при проектировании горных работ на рудниках ОАО «Сильвинит».

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999, 2001, 2004, 2006, 2007, 2008), международных конференциях Geotechnika w budownictwie I gornictwiew (Wroclaw, 2003) и «Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр (Бишкек, 2006), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2005» (Москва, 2005) и региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 233 страницы, включая 133 рисунка, 71 таблицу, 4 приложения, список использованной литературы из 82 наименований.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам Горного института: В.А. Асанову, В.Н. Токсарову, И.Л. Панькову, Л.Н. Шатовой, А.С. Лошкареву, А.В. Евсееву, А.П. Лепихину, И.И. Чайковскому, Б.М. Голубеву, О.В. Иванову, С.В. Некрасову за внимание к проводимым исследованиям и оказанную помощь в процессе работы над диссертацией. При сборе материалов автору была оказана поддержка сотрудниками геологических служб рудников СКПРУ-1, СКПРУ-2 и СКПРУ-3 ОАО «Сильвинит», за что автор выражает им искреннюю благодарность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Глава I. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования

Известно, что основные причины разброса механических показателей соляных пород, влияющих на достоверность получаемых оценок, можно разделить на две группы.

К первой группе относятся причины, обусловленные природными факторами (минералогический состав, структура, текстура и т.д.), которые не зависят от условий испытания.

Вторую группу составляют причины методического характера, важнейшими из которых являются: размер и форма образцов, скорость приложения нагрузки, вид напряженного состояния, жесткость нагружающей системы, влажность, шаг опробования. Анализ работ А.А. Антонова, В.А. Асанова, А.А. Баряха, А.И. Баженова, З.А. Бича, В.Л. Водопьянова, В.Н. Воронцова, А.А. Вопилкина, И.Х. Габдрахимова, С.Я. Жихарева, В.Г. Зильбершмидта, Ю.М. Карташова, С.А. Константиновой, М.В. Курлени, Б.В. Лаптева, А.М. Линькова, Е.В. Лодуса, В.Е. Маракова, О.Б. Наймарка, И.Л. Панькова, А.М. Пенькова, Р.С. Пермякова, Н.М. Проскурякова, Б.Г. Тарасова, Б.В. Титова, А.Б. Фадеева, А.К. Черникова и других авторов показывает, что влияние методических причин на механические показатели в достаточной степени изучено. Воздействию же многообразных природных факторов на прочностные и деформационные свойства соляных пород посвящены лишь отдельные исследования. Так, ряд работ (С.А. Константинова, А.Н. Ставрогин и др.) посвящен изучению влияния глубины отработки на механические свойства соляных пород. Опубликованы зависимости (Х. Пфорр, Г. Розетц, А.И. Кудряшов и др.) прочности соляных пород от компонентов химического состава.

Вместе с тем, планомерные исследования изменчивости механических свойств соляных пород в зависимости от условий их залегания и вариации состава на территории Верхнекамского месторождения не проводились. В этой связи отсутствует обоснованная методика механического опробования рабочих пластов, представляющая параметрическую основу геомеханического обеспечения безопасности горных работ и защиты калийных рудников от затопления.

Глава II. Взаимосвязь прочностных свойств соляных пород с условиями их залегания и химическим составом

Для изучения связи между механическими свойствами соляных пород, условиями их залегания и химическим составом выполнен статистический анализ материалов, основанных на данных детальной и эксплуатационной разведки шахтных полей рудников СКПРУ-1, 2, 3 ОАО «Сильвинит», расположенных в центральной части Верхнекамского месторождения солей. Исследование взаимосвязей проводилось для сильвинитовых пластов KpII и АБ.

В статистическом исследовании использованы геологическое описание керна геологоразведочных скважин, выполненное работниками геологических служб рудников, результаты опробования керна разведочных скважин по составу, проведенного в химико-аналитических лабораториях рудоуправлений, а так же данные по определению физико-механических свойств образцов соляных пород, полученные в Горном институте УрО РАН.

Для анализа использовались результаты по двум совмещенным скважинам, одна из которых предназначалась для физико-механических испытаний, другая – для опробования на химический состав. За основной механический параметр принят предел прочности на сжатие (, МПа), который является определяющим при расчете параметров системы разработки. Обзор литературных источников и выполненные исследования позволили выделить возможные влияющие факторы: абсолютная отметка кровли пласта (, м) и мощность пласта (, м) в точке расчета, а также компоненты химического состава сильвинитовых руд рабочих пластов: нерастворимый остаток (Н.О., %), хлористый калий (KCl, %), хлористый натрий (NaCl, %), хлористый магний (MgCl2, %), сульфат кальция (CaSO4, %)

Известно, что пласты А и Б имеют разный минеральный состав и текстурно-структурные особенности. Вместе с тем, средневзвешенные оценки компонентов химического состава керна в пределах одной скважины, пройденной по пластам А и Б, позволяют учесть «вклад» каждого из них в итоговое значение соответствующего показателя, используемое в анализе. Кроме того, средневзвешенные оценки значительно более устойчивы по сравнению с частными. Таким образом, применение средневзвешенных оценок прочности и химического состава позволяет объединить два пласта А и Б в единый горизонт и рассматривать в дальнейшем статистическом исследовании один пласт АБ.

Аналогичным образом средневзвешенные оценки учитывают неоднородность в строении пласта KpII, состоящего из 7 слоев.

Величина средневзвешенных оценок предела прочности, используемых в анализе, определялась по формуле:

МПа (1)

где предел прочности го слоя, МПа; мощность го слоя, м; количество слоев (для пласта KpII 7, для АБ – 2).

С помощью аналогичных формул производились средневзвешенные оценки химического состава рабочих пластов.

На начальной стадии анализа для каждого пласта осуществлялась проверка на нормальность распределения по критерию согласия А.Н. Колмогорова для всех рассматриваемых параметров. Установлено, что распределение изучаемых параметров хорошо согласуется с нормальным распределением за исключением содержания MgCl2 для пласта KpII. Проверка распределения преобразованных путем логарифмирования значений данного параметра показала, что оно хорошо согласуется с нормальным распределением.

При выполнении корреляционного анализа строилась корреляционная матрица (табл. 1) и проводилась проверка полученных коэффициентов корреляции.

Таблица 1

Корреляционная матрица между средневзвешенным пределом прочности,
элементами залегания и параметрами химического состава для пластов KpII и АБ

Определяемый параметр Влияющие факторы
Zкр., м М, м H.O., % KCl, % NaCl, % MgCl2, % CaSO4, %
Пласт KpII, n = 125 скв.
сж., МПа 0,51 0,21 -0,22 -0,05 0,04 -0,03* 0,38
Пласт АБ, n = 102 скв.
сж, МПа 0,34 -0,40 -0,21 -0,17 0,17 0,06 0,31

*- для пласта KpII в матрице показан коэффициент корреляции между прочностью (сж) и Ln(MgCl2).

С целью проверки значимости указанных в табл. 1 коэффициентов корреляции использовалась критическая область вида:

, (2)

где – абсолютное значение коэффициента корреляции; – значение q – процентных пределов для распределения Стьюдента в зависимости от степеней свободы и вероятности, = 1,96; – оценка среднеквадратичного отклонения. Выделенные в табл. 2 жирным шрифтом коэффициенты корреляции не удовлетворяют условию (2), поэтому они исключены из дальнейшего анализа.

Наличие значимых корреляционных зависимостей позволило в рамках линейной регрессионной модели построить следующие уравнения связи для средневзвешенного предела прочности рабочих пластов:

1) для пласта KpII

= 25,11458 + 0,03461Zкр. 0,09627M 3,22099H.O.+ 4,90337CaSO4, (3)

2) для пласта АБ

. = 32,45299 + 0,03835Zкр. 1,80318M 1,19099H.O.+ 2,06578CaSO4, (4)

Таблица 2

Проверка реальности корреляционных связей

Пласт Абсолютное значение коэффициента корреляции, Размер критической области
АБ 0,34 0,172
0,40 0,163
0,21 0,186
0,17 0,188
0,06 0,193
0,31 0,175
KpII 0,51 0,130
0,21 0,168
0,22 0,167
0,05 0,175
0,04 0,175
0,03 0,175
0,38 0,150


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.