Автореферат Забашта В. Аналіз і моделювання структурних і фізіко-механічніх властивостей крутопадаючого покладу, який знаходиться в умовах техногенних і природних ускладнень

UKR | RUS | FRA || ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ

Забашта Валерій Володимирович

Факультет: Гірничо-геологічний

Cпеціальність: «Маркшейдерська справа»

Тема випускної роботи:

«Аналіз і моделювання структурних і фізіко-механічніх властивостей крутопадаючого покладу, який знаходиться в умовах техногенних і природних ускладнень»

Науковий керiвник: проф., д.т.н. Мирний В'ячеслав Васильович

Матеріали по темі випускної роботи:

Головна |

Вступ:

Актуальність

Крутопадаючі, а також пологі і похилопадаючі родовища, які схильні до тектонічних порушень. Їх зображення класифікують рішенням окремих завдань приурочених до зображення родовищ в проекції на горизонтальну площину. Між тим, у багатьох випадках доводиться зображувати поверхню пласта і у вертикальній площині. При цьому зображення тектонічного порушення, звичне для горизонтальній площині проекції, докорінно змінюється. Саме з цієї причини, для наочності зображення, планування гірничих робіт і підрахунку запасів, стає необхідним і актуальним розробляти ці питання при зображенні тектоніки на вертикальну площину.

Мета та Задачі

Оскільки питання в літературі не освітлюеться, є доцільним вирішити наступні завдання:

1. Зображення тектонічних порушень в проекції на вертикальну площину при різних взаємних положеннях пласта і площині порушення.

2. З'ясувати, якою мірою існуюча класифікація зміщення прийнятна при її зображенні на вертикальну площину проекції.

3. Розробити класифікацію розривних тектонічних порушень які можна застосувати до крутопадаючих родовищ при їх геометрізаціі і проекції на вертикальну площину проекції.

Наукова новизна

З огляду на те, що розглядається питання в літературі не аналізується, класифікація тектонічних порушень при їх зображенні на вертикальну площину проекції буде розроблятися вперше.

Практична користь

У Донбасі, в північній її частині, є свити крутопадающіх вугільних пластів. Тому цими положеннями зможуть користуватися Маркшейдерсько-геологічні служби шахт при складанні графічної документації та вирішенні гірничо-геометричних задач.

Розробляються положення які можна застосовувати для пластових і жильного рудних родовищ.[1]

Предмети та методи дослідження

Предмети дослідження:

• Крутопадаючі пласти північної частини Донбасу;

• Гіпсометричні плани;

• Розрізи вугленоснох товщі по свиті вугільних пластів;

• Виробничі об'єднання Артемуголь;

• тектонічних порушень пластів.

Методи дослідження:

• Гірничо-геометричний аналіз відпрацьованих пластів з метою вивчення наочності зображення тектонічних порушень;

• Статистичний аналіз параметрів порушеннями;

• Аналітичне перетворення координат при переході з однієї системи в іншу;

• Цифрове моделювання характерних порушених ділянок.

• Графічне моделювання (за допомогою ЕОМ) тектонічних порушень та вибір оптимальних параметрів з метою отримання наочності зображення.

Анимація 1- Переросподіл деформацій в масиві гірничих порід

(Анимірованний рисунок: кількість кадрів - 10, швидкість - 50 мс, обєм - 165кБ)

Національна, локальна та національна новизна

Розробляючі положення можуть бути застосовані не тільки для умов Донбасу, але й для інших родовищ України, а так само для родовищ інших континентів, де йде відпрацювання крутопадающей поклади зі складною тектонікою.

Основний зміст

Перша частина моєї роботи присвячена моделювання напружень деформованого стану масиву гірських порід складної структури. В якості об'єкту дослідження використовується великий масив гірських порід (1500 ; 4500м.) З крутопадаючими пластами різної потужності та структури.

У геологічної історії утворювалося близько 20 тектонічних процесів. Ми моделюем напружено-деформаційно стан масиву і спостерігаємо процеси при сучасному тектоногінезі.[2] Ця робота робиться для кращого представлення механізму утворення порушень в земній корі, підняття та опускання великих площ грунту, гороутворення і т.д. А також для вивчення процесів які відбуваються в товщі порід.

Для виконання задуманої роботи створюється цифрова модель ділянки родовища. Приступаючи до роботи, визначаються з розмірами моделі, кількістю пластів їх кутом нахилу і потужністю. При створенні моделі для кожного пласта в програму вводяться такі параметри:

• Коефіцієнт Пуассона;

• Модуль пружності;

• Зчеплення;

• Кут внутрішнього тертя;

• Кут плинності;

• Щільність;

Граничні умови реалізіруют шляхом закріплення умовних кордонів, створенням вільних кордонів, додаток навантаження на окремі кордону. В даному випадку дуже важливо моделювати тектонічні напруги, що легко дозволяє метод кінцевих елементів.[3] Отримані моделі аналізуються.

Рис.1-Модель зламу масиву при бічній навантаженні 200МПа

У процесі деформації ділянки родовища під дією тектонічної напруги виникають горизонтальні переміщення. Наявність окремих шарів, їх нахил і різні механічні властивості призводить до того що ізоліній изогнуті (не прямолінійно) Більшість зламів спостерігаються на контактах. Злами ізоліній горизонтальних переміщень приурочені до контакту шарів. При однородному масиві ізоліній горизонтальних зміщень повинні бути вертикальними.

Рис.2- Модель підняття і осідання масиву при бічному навантаженні 200МПа

Судячи з ізоліній розподілу контрольованого в моделі осідання товщі, опускання по лінії тяжкості досягає -3,77 м. осідання. При інтенсивній горизонтальній тектонічнічній подвижці повинно бути спучування товщі та її осідання. Причина цього вага товщі. Слід розрізняти гравітаційні навантаження (зумовлені власною вагою) і навантаження зумовлені ними напруги, деформації і тектонічні зсуви які виникали в різних геологічних епохах і змінювали не тільки величину але й знак (стиск на розтягнення)[2] Основна частка цього масиву відчуває підняття. Чим ближче до зони пучення тим більше підняття. Максимальне підняття приурочено до контакту крайніх шарів (43м.). Що обумовлено різними міцностними характеристиками сусідніх шарів. Ізоліній підняття явно відчувають злам на контакті шарів.

Рис.3- Модель горизонтальних напруг на стиск при бічній навантаженні 200МПа

Вся товща відчуває напруга на стиск. Мінімальна стиск состовляет 103МПа, максимальне 329МПа. Мінімальна напруга стиснення приурочена до нижньої і верхньої межі розрахункової області, а також обидві зони пов'язані зі середнім шаром. Разом з тим на цьому ж шарі спостерігається зона максимального тиску (279МПа) Таким чином, цей шар є елементом, який створює максимальне обурення в горизонтальних напругах. Це дає підставу вважати, що на кордоні з цим шаром буде формуватися найбільш складна структура родовища. Ця структура буде у вигляді зон тріщинуватості, перемішані вугільні пласти, не спокійна гіпсометрія.[4]

Рис.4- Модель вертикальних напруг на стиск при бічній навантаженні 200МПа

На цій схемі всі напруги стискуються та змінюються в межах від 7,6 МПа до 162МПа що в 20 разів менше ніж при горизонтальних напругах. Це природно, так як тектонічні умови бокового тиску більше, ніж гравітаційного. Але разом з тим так само дуже помітний і гравітаційний тиск. Геостатіческіе компоненти вертикальних норм норм напруг обчислюються за формулою: y = н так як глибина Н = 1000м. y = 25МПа Вибравши максимум та мінімум на глибині 1000м. (дивитись схему) отримаємо: Максимальне - 10МПа; Мінімальне - 86,6 МПа. Виходячи з цих спостережень можна зробити висновок, що на глибині 1000м. аномалії, в результаті тектонічних зрушень можуть коливатися від -50% до 250%. Це означає, що тектонічні зусилля породжуються не тільки горизонтальними але й вертикальними напруженнями.

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

При дії тектонічних,горизонтальних напруг і дотичних напружень найбільші аномалії відбуваються на середньому шарі (тонкому), де була задана найменша міцність породи. При цьому нижня частина шару пересувається за годинниковою стрілкою , а верхня частина проти годинникової стрілки (до 35МПа). В області контакту шарів спостерігаються зрушуючі напруги породжені деформацією зсуву за годинниковою стрілкою. Області позамежних пластичних деформацій приурочені до кордону лежачого блоку і до лежачого боку цього шару. Максимальні руйнування знаходяться біля кордонів контактів[5]

Друга частина моєї роботи присвячена моделюванню порушеного крутопадаючого шару. При проектуванні поверхні пласта на горизонтальну площину при крутому і мінливому падінні покладу зображення може виявитися не можлівім прочитати, не наочним і не зручним для вирішення практичних завдань, а у разі зустрічі порушення на цьому шарі може виявитися досить важким або навіть неможливим класифікувати дане порушення. У таких випадках будують гіпсометріческій план в проекції на вертикальну або похилу площину. Такий графік використовують при структурно-тектонічної аналізі, геометричному дослідженні порушення, підрахунку запасів, складання проекту відпрацюванні пласта і при вирішенні інших практичних задач.

1. Методи побудови поверхні шару в ізолонгах.
У сучасній науці відомі три способи побудови поверхні шару в ізолонгах:
1. Метод вертикальних розрізів;
2. Метод горизонтальних розрізів;
3. Метод багатогранників.
Для загального уявлення про виконуваної роботи надаю увазі виконання побудови поверхні шару в ізолонгах методом горизонтальних розрізів.
Перед початком роботи необхідно запастися достатньою кількістю горизонтальних розрізів або погорізонтних планів. Далі, по погорізонтним планам визначаю середнє простягання зображуємої ділянки пласта і координати точки, через яку повинна проходити площина проекції. На всіх погорізонтних планах наношу точку, яка визначає положення площини проекції і її слід. Паралельно останньому проводять в прийнятому масштабі систему паралельних ліній, які знаходяться один від одного на відстані, що дорівнює перетину ізоліній. Точки перетину даного горизонтального профілю пласта з цими лініями проектується на слід площині проекцій. На останній отримують точки з ступінчастими відмітками. Потім на аркуші паперу, призначеному для побудови ізоліній шару, що в прийнятому масштабі провожу лінії відповідних горизонтів, на які переношу точки з ступінчастими Позначками. Нарешті, через точки з однойменною ступінчастими відмітками провожу ізоліній пласта, звані ізолонгами[6]. Ця робота проводиться велика кількість разів при різних положеннях залягання і типів зміщення шару.
2.Классифікація розривних порушень

При виконанні даної роботи з'явилася необхідність визначити, чи можна застосовувати існуючі кваліфікації розривних порушень для кваліфікації порушень на плані в проекції на вертикальну площину. Для цього виникла необхідність вивчення існуючих кваліфікації розривних порушень. Щоб описувати і називати зміщення в процесі їх вивчення, виникла необхідність їх систематизації та класифікації. Очевидно, в основу такої класифікації необхідно покласти якусь характерну ознаку або принцип, що дозволяє розташувати розглядувані форми зміщень в певному порядку. У вітчизняній літературі вперше класифікацію разривних порушень запропонували П. М. Леонтовскій, а потім В. І. Бауман. Широку розробку це питання отримав у працях радянських вчених акад. М. А. Усова, В. В. Білоусова, професорів П. К-Соболевського, І. А. Молчанова, А. А. Беліцкого, А. А. Трофимова, І. М. Ушакова, М. В. Гзовского, канд . геол.-минерал, наук А. С. Забродіна, кандидатів технічних наук М. І. Пугачова, А. С. Мікеладзе, В. Є. Григор 'єва, І. С. Гарбер, Н. І. Мішина та ін Одні автори виділяють типові форми виходячи з напрямку переміщення крил, з урахуванням умов утворення зміщення, тобто за генетичним ознаками, другі - за геолого-геометричним.[7] З геометричних класифікацій найбільшого розповсюдження з-за своєї простоти набула класифікація П. К. Соболевського. Модифікація цієї класифікації практично покладена в основу Єдиної класифікаціі тектонічних розривів вугільних пластів за їх морфологічними ознаками та величинам. Модель розривного порушення і його назва залежить від величини кута b (Кут між вектором переміщення від лежачого крила до висячого і лінією падіння змыщувача).[8]

У аксонометріческой проекції і в плані наведені вісім типів зсувів по Соболєвском.

3. Принцип переходу із загальної до умовної системи координат.

У межах шахтного поля, що має різний простіраніе на різних його ділянках, знадобиться самостійне побудова проекції на вертикальну площину кожної ділянки. Отже, кожна ділянка зображується у своїй умовній системі коордінат.

Внаслідок цього виникла необхідність створення спільних формул при різних розташуваннях проекції.
Загальні формули:

X'A = YA * sinQ + XA * cosQ

Y'A = XA * sinQ - YA * cosQ
При розташуванні площині проекції в інших чвертях змінюється тільки знак.[9]
Висновок

При невеликих кутах нахилу пластів в проекції на горизонтальну площину не проблема класифікувати зустрычне порушення. Набагато складніше зробити це при великих кутах нахилу пластів. Саме тому в даній роботі я розробляв методику спрощуючу класифікацію порушення при порушенні крутопадаючого шару.

Література

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.

ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ
Головна |