RUS | UKR | FRA || ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ

Забашта Валерий Владимирович

Факультет: Горно-геологический

Cпециальность: «Маркшейдерское дело»

Тема выпускной работы:

«Анализ и моделирование структурных и физико-механических свойств крутопадающей залежи, которая находится в условиях техногенных и природных осложнений»

Научный руководитель: проф. д.т.н. Мирный Вячеслав Васильевич

Материалы по теме выпускной работы:

Введение:

Актуальность темы
Крутопадающее, а также пологие и наклоннопадаючие месторождение подвержены тектоническим нарушениям. Их изображение классифицируют решением отдельных задач приуроченных к изображению месторождений в проекции на горизонтальную плоскость. Между тем, во многих случаях приходится изображать поверхность пласта и в вертикальной плоскости. При этом изображение тектонического нарушения, привычное для горизонтальной плоскости проекции, коренным образом меняется. Именно по этой причине, для наглядности изображения, планирования горных работ и подсчета запасов, становится необходимым и актуальным разрабатывать эти вопросы при изображении тектоники на вертикальную плоскость

Цель и задачи работы

Поскольку вопрос в литературе не освящался, представляется целесообразным решить следующие задачи:
1. Изображение тектонических нарушений в проекции на вертикальную плоскость при различных взаимных положениях пласта и плоскости сместителя.

2. Выяснить, в какой мере существующая классификация смещения применима при ее изображении на вертикальную плоскость проекции.

3. Разработать классификацию разрывных тектонических нарушений применимых к крутопадающим месторождениям при их геометризации и проекции на вертикальную плоскость проекции.

Научная новизна

Учитывая, что рассматриваемый вопрос в литературе не анализируется, классификация тектонических нарушений при их изображении на вертикальную плоскость проекции будет разрабатываться впервые.

Практическая полезность

В Донбассе в северной ее части имеются свиты угольных крутопадающих пластов. Поэтому разрабатываемыми положениями смогут пользоваться маркшейдерско-геологические службы шахт при составлении графической документации и решении горно-геометрических задач. Разрабатываемые положения так же применимы для пластовых и жильных рудных месторождений.[1]

Предметы и методы исследования

Предметы исследования:
• Крутопадающие пласты северной части Донбасса;

• Гипсометрические планы;

• Разрезы угленосной толщи по свитам угольных пластов;

• Производственные объединения Артемуголь;

• Тектоническая нарушенность пластов.
Методы исследования:
• Горно-геометрический анализ отработанных пластов с целью изучения наглядности изображения тектонической нарушености;

• Статистический анализ параметров нарушености;

• Аналитическое преобразование координат при переходе из одной системы в другую;

• Цифровое моделирование характерных нарушенных участков.

• Графическое моделирование (с помощью ЭВМ) тектонических нарушений и выбор оптимальных параметров с целью получения наглядности изображения.

Анимация 1- Распределение деформаций в массиве горных пород

(Анимированный рисунок: число кадров - 10, скорость - 50 мс, обьем - 165кБ)

Обзорная информация

Национальная, локальная и национальная новизна

Разрабатываемые положения могут быть применены не только для условий Донбасса, но и для других месторождений Украины, а так же для месторождений других континентов, где идет отработка крутопадающей залежи со сложной тектоникой.

Основное содержание

Первая часть моей работы посвящена моделированию напряжений деформированного состояния массива горных пород сложной структуры. В качестве объекта исследования используется большой массив горных пород (1500-4500м.) с крутопадающими пластами различной мощности и структуры.

В геологической истории образовывалось около 20 тектонических процессов. Мы моделируем напряженно-деформационное состояние массива и наблюдаем процессы при современном тектоногенезе.[2]

Эта работа проделывается для лучшего представления механизма образования нарушений в Земной коре, поднятия и опускания больших площадей почвы, горообразование и т.д. А также для изучения происходящих при этом процессов в толще пород.

Для выполнения задуманной работы создается цифровая модель участка месторождения. Приступая к работе, определяюсь с размерами модели, количеством пластов их углом наклона и мощностью.

При создании модели для каждого пласта в программу вводятся такие параметры:

• Коэффициент Пуассона;

• Модуль упругости;

• Сцепление;

• Угол внутреннего трения;

• Угол текучести;

• Плотность;

Граничные условия реализируют путем закрепления условных границ, созданием свободных границ, приложение нагрузки на отдельные границы. В данном случае очень важно моделировать тектонические напряжения, что легко позволяет метод конечных элементов.[3]

Полученные модели анализируются.

Рис.1-Модель изломов массива при боковой нагрузке 200МПа

Во всех указанных исследованиях мульда сдвижения также рассматривается как детерминированная.

Вся толща испытывает напряжение на сжатие. Минимальное сжатие состовляет 103МПа, максимальное 329МПа. Минимальное напряжение сжатия приурочены к нижней и верхней границе расчетной области, а также обе зоны связаны со средним пластом. Вместе с тем на этом же пласте наблюдается зона максимальных сжатий(279МПа)

Таким образом, этот слой является элементом, который создает максимальное возмущение в горизонтальных напряжениях. Это дает основание полагать, что на границе с этим слоем будет формироваться наиболее сложная структура месторождения. Эта структура будет виде зон трещиноватости, перемешанных угольных пластов, не спокойной гипсометрии.[4]

Рис.2- Модель поднятия и оседания массива при боковой нагрузке 200МПа

Судя по изолинии распределения наблюдаемого в модели оседание толщи, опускание по линии тяжести достигает -3,77м. оседания.

При интенсивной горизонтальной тектонической подвижке должно быть вспучивание толщи и ее оседание. Причина этого вес толщи. Следует различать гравитационные нагрузки (обусловленные собственным весом) и нагрузки обусловленные ими напряжения, деформации и тектонические сдвиги которые возникали в различных геологических эпохах и меняли не только величину но и знак (сжатие на растяжение)[2]

Основная доля данного массива испытывает поднятие. Чем ближе к зоне пучения тем больше поднятия. Максимальное поднятие приурочено к контакту крайних слоев (43м.). Что обусловлено различными прочностными характеристиками соседних слоев. Изолинии поднятий явно испытывают изломы на контакте слоев.

Рис.3- Модель горизонтальних напряжений на сжатие при боковой нагрузке 200МПа

Вся толща испытывает напряжение на сжатие. Минимальное сжатие состовляет 103МПа, максимальное 329МПа. Минимальное напряжение сжатия приурочены к нижней и верхней границе расчетной области, а также обе зоны связаны со средним пластом. Вместе с тем на этом же пласте наблюдается зона максимальных сжатий(279МПа).

Таким образом, этот слой является элементом, который создает максимальное возмущение в горизонтальных напряжениях. Это дает основание полагать, что на границе с этим слоем будет формироваться наиболее сложная структура месторождения. Эта структура будет виде зон трещиноватости, перемешанных угольных пластов, не спокойной гипсометрии.

Рис.4- Модель вертикальных напряжений на сжатие при боковой нагрузке 200МПа

На этой схеме все напряжения сжимаются и изменяются в пределах от 7,6МПа до 162МПа что в 20 раз меньше чем при горизонтальных напряжениях. Это естественно так как тектонические условия бокового давления больше, чем гравитационного. Но вместе с тем так же очень заметны и гравитационное давление. Так как глубина Н=1000м, выбрав максимум и минимум на глубине 1000м. (смотреть схему) получим: Максимальное – 10МПа;

Минимальное - 86,6МПа. Исходя из этих наблюдений можно сделать вывод, что на глубине 1000м. аномалии y, в результате тектонических подвижек могут колебаться от -50% до 250%. Это означает что тектонические усилия порождаются не только горизонтальными но и вертикальными напряжениями.

Рис.5- Модель касательных напряжений при боковой нагрузке 200МПа

При действии тектонических горизонтальных напряжениях, касательных напряжений наибольшие аномалии происходят на среднем пласте (тонком), где была задана наименьшая прочность породы. При этом нижняя часть слоя сдвигается по часовой стрелке(b = 35,5МПа), а верхняя часть против часовой стрелки (до 35МПа).

В области контакта слоев наблюдаются сдвиговые напряжения порожденные деформацией сдвига по часовой стрелке. Области запредельных пластических деформаций приурочены к границе лежачего блока и к лежачему боку этого слоя. Максимальные разрушения находятся у границ контактов.[5]

Вторая часть моей работы посвящено моделированию нарушенного крутопадающего пласта. При проецировании поверхности пласта на горизонтальную плоскость при крутом и изменчивом падении залежи изображение может оказаться не читаемым, не наглядным и не удобным для решения практических задач, а в случае встречи нарушения на этом пласте может оказаться весьма затруднительным или даже невозможным классифицировать данное нарушение. В подобных случаях строят гипсометрический план в проекции на вертикальную или наклонную плоскость. Такой график используют при структурно-тектоническом анализе, геометрическом исследовании нарушения, подсчете запасов, составления проекта отработке пласта и при решении других практических задач.

1. Методы построения поверхности пласта в изолонгах.

В современной науке известны три способа построения поверхности пласта в изолонгах:

1. Метод вертикальных разрезов;

2. Метод горизонтальных разрезов;

3. Метод многогранника.

Для общего представления о выполняемой работе предоставляю вниманию выполнение построения поверхности пласта в изолонгах методом горизонтальных разрезов.

Перед началом работы необходимо запастись достаточным числом горизонтальных разрезов или погоризонтных планов. Далее, по погоризонтным планам определяю среднее простирание изображаемого участка пласта и координаты точки, через которую должна проходить плоскость проекций. На всех погоризонтных планах наношу точку, определяющую положение плоскости проекций и ее след. Параллельно последнему проводят в принятом масштабе систему параллельных линий, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном сечению изолиний. Точки пересечения данного горизонтального профиля пласта с этими линиями проецируют на след плоскости проекций. На последней получают точки со ступенчатыми отметками. Затем на листе бумаги, предназначенном для построения изолиний пласта, в принятом масштабе провожу линии соответствующих горизонтов, на которые переношу точки со ступенчатыми отметками. Наконец, через точки с одноименными ступенчатыми отметками провожу изолинии пласта, называемые изолонгами.[6] Эта работа проводится большое количество раз при различных положениях залегания и типов смещения пласта.

2.Классификация разрывных нарушений

При выполнении данной работы появилась необходимость определить, можно ли применять существующие квалификации разрывных нарушений для квалификации нарушений на плане в проекции на вертикальную плоскость. Для этого возникла необходимость изучения существующих квалификации разрывных нарушений. Чтобы описывать и называть смещения в процессе их изучения, возникла необходимость их систематизации или классификации. Очевидно, в основу такой классификации необходимо положить какой-нибудь характерный признак или принцип, позволяющий расположить рассматриваемые формы смещений в определенном порядке. В отечественной литературе впервые классификацию разрывных нарушений предложили П. М. Леонтовский, а затем В. И. Бауман. Широкую разработку этот вопрос получил в трудах советских ученых акад. М. А. Усова, В. В. Белоусова, профессоров П. К- Соболевского, И. А. Молчанова, А. А. Белицкого, А. А. Трофимова, И. Н. Ушакова, М. В. Гзовского, канд. геол.-минерал, наук А. С. Забродина, кандидатов технических наук М. И. Пугачева, А. С. Микеладзе, В. Е. Григорьева, И. С. Гарбера, Н. И. Мишина и др. Одни авторы выделяют типичные формы исходя из действительного направления перемещения крыльев, с учетом условий образования смещения, т. е. по генетическим признакам, другие — по геолого-геометрическим.[7] Из геометрических классификаций наибольшего распространения из-за своей простоты приобрела классификация П. К. Соболевского. Модификация этой классификации практически положена в основу Единой классификации тектонических разрывов угольных пластов по их морфологическим признакам и величинам. Модель разрывного нарушения и его название зависит от величины угла b ( угол между вектором перемещения от лежачего крыла к висячему и линией падения сместителя).[8]

В аксонометрической проекции и в плане приведены восемь типов смещений по Соболевскому:

К сожалению на данном этапе моих исследований я не могу ответить можно ли применять существующие квалификации разрывных нарушений для квалификации нарушений на плане в проекции на вертикальную плоскость.

3. Принцип перехода из общей к условной системе координат.

В пределах шахтного поля, имеющего разное простирание на различных его участках, потребуется самостоятельное построение проекции на вертикальную плоскость каждого участка. Следовательно, каждый участок изображается в своей условной системе координат.

В следствии этого возникла необходимость создания общих формул при различных расположениях проекции.

Общие формулы:

X'A = YA * sinQ + XA * cosQ

Y'A = XA * sinQ - YA * cosQ

При расположении плоскости проекции в других четвертях меняется только знак.[9]

Заключение

При небольших углах наклона пластов в проекции на горизонтальную плоскость не доставляет труда классифицировать встретившееся нарушение. Гораздо сложнее это сделать при больших углах наклона пластов. Именно поэтому в данной работе я разрабатываю методику упрощающую классификацию нарушения при нарушености крутопадающего пласта.

Литература

Разработка рудных месторождений. http://gornoedelo.narod.ru/Delo/1.htm
Гзовский М.В. Тектонофизические представления о напряженном состоянии земной коры. – В кн.: Современные проблемы механики горных пород. Л., 1972, с. 125-146.
Баклашов И. В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М., Недра, 1975.
Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1989. – 488с.: ил.
Кравцов А.И., Трофимов А.А. Шахтная геология. М., Высшая школа, 1977.
Ушаков И.Н.Горная геометрия. Учебник для вузов, 4-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1979. 440с.
Рыжов П.А. Геометрия недр. Учебник для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1964. 495с.
Трофимов А.А. Основы маркшейдерского дела и геометризации недр: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1985. 336с.
Букринский В.А. Геометрия недр. Учебник для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1985. 526с.
Баклашов И. В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепи. Учебник для вузов. М., Недра, 1984. 415с.

RUS | UKR |FRA || ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ