книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

отметке —450 м разделяющуюся на отдельные ответвления, разде­ ленные известняками (/= 8 ), сиенитами и скарнами. Общая длина блока по падению 800 м, по простиранию 450 м, максимальная мощность 140 м и угол падения около 70° Со стороны лежачего бо­ ка к рудной залежи примыкают сиениты (/=12-Ы З), а со сторо­ ны висячего бока — порфириты (f= 12-т-14).

Подземные горные работы ведутся на четырех локальных уча­ стках: в геологических блоках 15 и 21, а также на участках Во- сточно-Ревдинских и Западно-Ревдинских залежей.

Высокогорский рудник расположен в черте г. Нижнего Тагила в районе с плотно застроенной территорией, поэтому на разных стадиях разработки месторождения в зону влияния подземной раз­ работки попадали объекты различного назначения. Меры охраны

присущи сложность и разнообразие горнотехнических условий. На­ ряду с крутыми пластообразными залежами Восточного рудного пояса разрабатываются массивные рудные тела геологических бло­ ков 15 и 21. Соответственно различны и параметры сдвижения гор­ ных пород в процессе их разработки. По-разному проявляется и вли­ яние тектоники на параметры сдвижения горных пород. Если на Восточном рудном поясе разного рода сместители затрудняют раз­ витие сдвижения из-за смещения рудных тел и разбивки на обособ­ ленные участки, то в геологических блоках 15 и 21 тектонические нарушения являются фактором, способствующим сдвижению нале­ гающих пород. Кроме того, на месторождении одновременно отра­ батываются рудные тела, имевшие выход под наносы, и слепые, что также разнообразит характер сдвижения вмещающих пород.

Исследования закономерностей сдвижения горных пород, вы­ полненные Институтом горного дела Минчермета СССР и марк­ шейдерской службой Горного управления Нижне-Тагильского ме­ таллургического комбината, включали инструментальные наблю­ дения в промышленных условиях, теоретические изыскания с по­ мощью аппарата механики сплошной среды и анализ маркшейдер­ ской и геологической документации.

Инструментальные наблюдения на месторождении были начаты Уральским филиалом ВНИМИ и проводились в период с 1957 по 1971 г. [39]. В 1975 г. Институтом горного дела Минчермета СССР

взамен старой была оборудована новая капитальная наблюдатель­ ная станция. Она состоит из семи профильных линий, расположен­ ных в лежачем боку геологических блоков 15 и 21 ив висячем боку Восточно-Ревдинских, Западно-Ревдинских и Ново-Меднорудян- ских залежей.

В настоящее время мульда сдвижения от подземных горных ра­ бот на поверхности подразделяется на три до некоторой степени обособленные участка: от геологического блока 15, расположенно­ го с юга от промплощадки; от Западно-Ревдинских залежей с юго­

востока; от Восточно-Ревдинских залежей с востока и северо-во­

стока.

Подземная разработка геологического блока 15 началась бо­ лее 30 лет назад и велась различными вариантами этажного при­ нудительного обрушения без оставления в выработанном простран­ стве целиков. Охраняемыми объектами на этом участке разработки являлись шахты «Первомайская», вентиляционная № 15, градирня и здание адмбыткомбината шахтопроходческого'управления, отно­ сящиеся ко II категории охраны.

Основное влияние на развитие процесса сдвижения пород лежа­ чего бока оказал сбрососдвиг «Средний». В начальный период раз­ работки зона обрушения развивалась преимущественно со стороны висячего бока на восток и юго-восток, ограничиваясь со стороны лежачего бока сбрососдвигом. При разработке верхних горизонтов были подработаны и снесены шахта «Первомайская» и градирня, расположенные к югу от сбрососдвига.

С переходом горных работ на горизонт —130 м сбрососдвиг «Средний» был подработан и сдвижение распространилось на се­ вер. В результате.в зону опасных сдвижений попали вентиляцион­ ная шахта № 15 и один быткомбииат шахтопроходческого управле­ ния. Однако эти объекты после проведения восстановительного ре­ монта оказались пригодными к эксплуатации. Для контроля за де­ формациями и их состоянием организованы специальные инстру­ ментальные наблюдения. В настоящее время с окончанием разра­ ботки геологического блока 15 сдвижения на поверхности в этом районе затихли.

Разработка геологического блока 21, расположенного в лежа­ чем боку Ревдинских залежей, началась с горизонта —130 ,м систе­ мой этажного принудительного обрушения. Результаты наблюде­ ний за поведением вмещающих пород свидетельствуют, что обру­ шение на поверхность пока не вышло. Заполнение выработанного пространства происходит перепуском пород из зоны обрушения Западно-Ревдинских залежей благодаря искусственному прорыву промежуточной толщи пород, разделяющей участки.

В зоне опасных деформаций от горных работ геологического блока 21, отстроенной по аналогии с геологическим блоком 15 под углом сдвижения 75°, оказались ствол и подшахтное здание венти­ лятора и калориферной шахты «Сернистая». Охрана их требовала консервации значительных объемов подготовленных запасов руды, поэтому решено было отказаться от ее эксплуатации.

Особенно остро проблема охраны от подработки зданий и со­ оружений стоит в районе Ревдинских и Ново-Меднорудянских за­ лежей. В зону критических деформаций от горных работ горизон­ тов —130 м и —210 м здесь попадают железнодорожная ветка, со­ единяющая завод им. Куйбышева со станцией, ЛЭП, здания 3-й горбольницы, а также ряд одноэтажных жилых домов.

Горные работы на Восточном рудном поясе ведутся более 20 лет. Ревдинские залежи имели выход под наносы, поэтому верхняя их часть извлекалась открытым способом. Сейчас весь участок отра-

батывается только подземным способом системами открытых ка­ мер.

При разработке горизонтов 150 м, 90 м, 30 м и частично —50 м все здания и сооружения на земной поверхности, попадавшие в зо­ ну опасных сдвижений, своевременно сносились. В частности, бы­ ло перенесено старое здание рудоуправления, которое располага­ лось в районе промплощадки шахты «Магнетитовая».

* ап ~ угол падения залежи.

С разработкой горизонта —130 м зона опасных сдвижений при­ близилась к железнодорожным путям, ЛЭП и корпусам горбольницы. В предохранительные целики под эти объекты попало более 6 млн. т железной руды.

На Восточно-Ревдинском и Западно-Ревдинском участках про­ цесс сдвижения изучен достаточно полно. Инструментальные на­ блюдения при разработке горизонтов 150 м, 90 м и 30 м с глубины 60 м до глубины 180 м выполнялись Уральским филиалом ВНИМИ. Сдвижение горных пород на этих глубинах развивалось преимуще­ ственно со стороны висячего бока без заметного отставания от гор­ ных работ и характеризовалось параметрами, приведенными в табл. 7.5 [150].

С опусканием горных работ на горизонты —50 м, —130 м и —210 м, находящиеся на глубинах 260—420 м, на развитие процес­ са сдвижения все большее влияние стали оказывать породные про­ слойки, пережимы, смещения рудных тел по тектоническим Нару­ шениям, разделяющие рудоносную зону на обособленные участки.

Углы сдвижения горных пород при разработке этих горизонтов увеличились по сравнению с нормативными, полученными, на верх­ них горизонтах, на 10—15° (табл. 7.6). Кроме того, заметно расши­ рилась зона плавных деформаций, граница которой в настоящее время удалена от границы зоны разрывов на 150—200 м. Углы сдвижения по-прежнему совпадали с углами разрыва, но стали значительно круче.

Таким образом, при выемке нижних горизонтов из-за изменения условий подработки пород висячего бока углы сдвижения оказа­

лись значительно выше нормативных, предусмотренных «Правила­ ми» [30]. Во избежание неоправданной консервации или прежде­ временного сноса сооружений при выемке горизонтов —130 м и —210 м проведена корректировка углов сдвижения пород висячего бока путем неполной его подработки. Поправки к нормативному углу определялись по методике ВНИМИ [39]. На Восточно-Рев- динском участке углы сдвижения были изменены с 60 до 81—85°,

а на Западно-Ревдинском — с 70 до 72—85° в зависимости от сте­ пени подработанности конкретного участка.

Применение указанных значений углов сдвижения для построе­ ния предохранительных целиков позволило полностью отработать запасы горизонта —130 м в объеме 2,9 млн. т.

Горизонт —210 м почти полностью попадает в предохранитель­ ный целик железнодорожных путей, ЛЭП и 3-й горбольницы.

Всвязи с неопределенностью сроков переноса указанных объектов

идефицитом подготовленных запасов руды решено в пределах предохранительного целика отработать камерные запасы с времен­ ным оставлением межкамерных целиков и потолочин. В настоящее время выемка камерных запасов, составивших около 2 млн. т, по всему горизонту завершена.

7.7.4. Совмещение открытых и подземных разработок на Гороблагодатском железорудном месторождении

Гороблагодатское железорудное месторождение разрабатыва­ ется комбинированным способом: северная часть — Центральным карьером, южный фланг — шахтой «Южная». Для сохранения юж­ ного борта карьера от подработки подземными очистными работа­

ми оставлен подкарьерный предохранительный целик, разделяю­ щий карьерное и шахтное поля. Запасы предохранительного цели­ ка, составляющие более 4 млн. т, предусматривалось отработать после погашения карьера.

Однако, учитывая постоянно возрастающий дефицит сырья на металлургических предприятиях, Нижне-Тагильским металлурги­ ческим комбинатом принято решение о продлении срока службы Центрального карьера путем привлечения к отработке запасов предохранительного целика. В соответствии с проектом расшире­ ния карьера, выполненным Уралгипрорудой, открытые горные ра­ боты будут производиться в районе погашенного выработанного пространства верхних горизонтов и в зоне влияния действующих нижних горизонтов шахты. Совмещение открытой и подземной раз­ работок потребовало проведения специальных исследований и раз­ работки мер по обеспечению безопасности горных работ в зоне вза­ имного влияния карьера и шахты.

Гороблагодатское железорудное месторождение находится в комплексе метаморфизованных слоистых вулканогенно-осадоч­ ных образований, имеющих довольно выдержанное простирание

свосточным падением. Угол падения лежачего бока в среднем 45°,

ависячего бока 20—45°

Висячий бок оруденения состоит из крепких устойчивых диаба­ зовых порфиритов, скарнов, сиенит-порфиров и сиенитов (f=10-i- -^12). Лежачий бок представлен авгитовыми порфиритами и скар­ нами (/= Юч-12).

Рудоносная зона подразделяется на две промышленные толщи мощностью от 5—7 м до 50—70 м', разделенные толщей крепких пустых пород. Коэффициент крепости руд составляет от 5—7 до

8— 10.

Горные работы на шахте ведутся от центра к флангам рудного поля. В висячей пачке применяется система этажного принудитель­ ного обрушения с отбойкой руды в зажатой среде. Лежачая пачка разрабатывается по безэтажной панельной системе. Порядок отра­ ботки пачек нисходящий: сначала отрабатывается висячая пачка, затем лежачая. В настоящее время дорабатываются запасы гори­ зонта —80 м, находящегося на глубине 350 м от поверхности.

В соответствии с «Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на железо­ рудных месторождениях Урала» проектирование мероприятий от подработки сооружений на Гороблагодатском месторождении дол­ жно производиться исходя из следующих параметров процесса сдвижения [30]:

углы сдвижения р = у = 0 = 70°; углы разрыва р, = у ,/= 0 "= 7 5 °; углы обрушения $", = у "'= 0 "'= 8 0 °.

Область совмещения открытых и подземных работ подразделя­ ется на две зоны — зону влияния от современных подземных работ и зону сдвижения от горных работ прошлых лет. Правилами допу­ скается эксплуатация карьеров и ведение технологического комп-

лекса работ (горные и отвальные работы карьеров, эксплуатация дорог, ЛЭП, линий связи, коммуникаций и других сооружений) за пределами 10-метровой бермы от зоны обрушения и образования воронок. Ведение открытых горных работ осуществлялось в соот­ ветствии с этими требованиями.

Развитие Южного участка Центрального карьера, разрабаты­ вающего подкарьерный целик, происходило первоначально за пре­ делами зоны обрушения от горных работ горизонта ± 0 м. После завершения горных работ на гор. ± 0 м стали вовлекать в. разра­ ботку участок за пределами границы зоны обрушения от горизон­ та —80 м. Площади карьера, находящиеся за пределами зоны об­ рушения, расширенной на 10-ме'тровую берму, свободны от непо­ средственного воздействия современных подземных работ.

Кроме опасности образования воронок от современных подзем­ ных горных работ открытая разработка в старой зоне обрушения сопряжена с опасностью встречи сохранившихся пустот. Наруше­ ние равновесия вмещающих пород при выполнении работ в карье­ ре может привести к образованию воронок и провалов. Для свое­ временного обнаружения и ликвидаций пустот потенциально опас­ ные участки на трех верхних горизонтах, где предполагалось нали­ чие пустот, разбуривались разведочными скважинами. Особую опасность представляло выработанное пространство блоков лежа­ чей пачки, находящееся под прослоем пустых пород, сохранивших устойчивость.

Безопасность ведения открытых и подземных горных работ кро­ ме соблюдения последовательности вовлечения в разработку зоны обрушения обеспечивалась выполнением следующих специальных технологических и маркшейдерских мероприятий:

1. Составление специальной совмещенной маркшейдерской до­ кументации, отражающей состояние открытых и подземных работ, потенциально опасные зоны встречи со старыми пустотами.

2. Проведение визуальных и инструментальных наблюдений с целью изучения характера деформирования горного массива в зо­ не обрушения.

3. Вынесение на поверхность границы зоны обрушения, специ­ альный инструктаж персонала, осмотр рабочих мест и прекраще­ ние работ в карьере и шахте на время производства массовых взры­ вов.

Неровности рельефа поверхности на развиваемом участке карь­ ера, осложненного воронками обрушения, создавали определенные трудности в разноске первого рабочего уступа 252 м. Высота его на различных участках могла достигать 30 м и более. В связи с этим представилось целесообразным выше уступа 252 м пройти дополни­ тельный уступ 265—270 м, который обеспечивал планировку и под­ готовку поверхности для нормальной разработки основного гори­ зонта. Высота дополнительного уступа изменялась от 3—5 м до

10—12 м.

При развитии южного участка Центрального карьера создались благоприятные условия для сокращения затрат на транспортиров­

службы карьера на 15 лет и сокращение сроков консервации руд­ ных запасов на несколько лет.

7.8. ГЕОДИНАМИКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Исходное напряженно-деформированное состояние горных по­ род в районе месторождений является отправным пунктом в систе­ ме автоматического проектирования и контроля устойчивости гор­ ных выработок при разработке месторождений. Создание в масси­ ве пород системы горных выработок приводит к перераспределению исходного поля напряжений в районе месторождений. Возникаю­ щие при этом неравномерности перераспределения обусловливают аномальные проявления горного давления. В зависимости от спо­ собов управления кровлей деформационные процессы массива в районе разработок усиливают или уменьшают эти неравномерно­ сти. Закономерности процесса сдвижения горных пород, протекаю­ щего в массиве, зависят как от исходного поля напряжений, так и от способа управления кровлей. Второй из факторов является управляемым. Чтобы правильно управлять исходным полем н а п р я ­ жений, надо знать закономерности его формирования.

ВНИМИ и КузПИ проводят исследования механизма форми­ рования исходного поля напряжений в районе месторождения на основе современного уровня знаний не только в горном деле, но и в смежных науках о Земле по принципу от общего к частному. Со­ гласно этим исследованиям напряженное состояние исходного мас­ сива горных пород предопределяется теми геодинамическими про­ цессами в районе месторождения, которые обусловлены положени­ ем данного района в общей системе геодинамики земной коры.

Предпосылками такого подхода к оценке исходного поля напря­ жений послужили следующие положения.

В последнее десятилетие учеными разных стран была сделана попытка объединить данные различных наук о Земле и создать на их основе некую единую картину происходящих в ней процессов. Такое направление получило название «геодинамика». Изучение твердой оболочки Земли учеными самых различных специальностей привело к представлению о том, что вертикальные смещения зем­ ной коры в ряде областей измеряются многими километрами, а в горизонтальном направлении кора смещается на тысячи километ­ ров. Комплексный геодинамичёский подход позволил установить основные характерные особенности глобального распределения го­ ризонтальных движений земной коры за последние геологические эпохи, на1основании чего согласно тектонике литоёфёрных плит вертикальные движения земной коры’ представляются как следст-

Выделение «подвижной» структуры тектонических блоков в рай­ оне месторождения производится по топографическим картам с при­ влечением космических снимков и аэрофотоснимков с последую­ щими полевыми геоморфологическими наблюдениями по принципу от общего к частному, чем выявляется соподчиненность мелких структурных блоков более крупным. Геологическим критерием вы­ деления подвижных блоковых структур является установленное на­ личие связи между рельефом поверхности и рельефом более глубо­ ких зон земной коры вплоть до кристаллического фундамента.

Физическая сущность этого явления заключается в том, что вся­ кое разрушение начинается с микроразрушений. Это относится и к разломам, которые «растут» снизу, от фундамента. Там, где фун­ дамент выходит на поверхность, разломы называются открытыми, там, где они скрыты под наносами, их называют скрытыми и в оса­ дочном чехле они выявляются по зонам сгущения трещиноватости.

Методика выделения блоков заключается в построении прямо­ линейных или плавнозакруглеиных рельефообразующих разломов по дешифрировочным признакам рельефа (спрямленным участкам русел рек, линейно вытянутой цепочке озер, конфигурации гори­ зонталей и т. д.). Для построения блоковых структур рекоменду­ ется тренд-метод, как наиболее формализованный и реализуемый на ЭВМ.

При исследовании процессов сдвижения горных пород наиболь­ ший интерес представляет динамическое .взаимодействие блоков. Под динамическим взаимодействием блоков понимают их движе­ ния друг относительно друга под действием приложенных сил как горизонтальных и вертикальных, так и движения кручения. Иссле­ дование динамического взаимодействия производится по принципу от общего к частному. При этом для района месторождения опре­ деляется кинематический вид разлома, к которому оно приурочено.

Исходя из того, что каждый разлом находится в динамопаре с другим разломом, определяется кинематический тип сопряжен­ ной границы блока. Вид разлома свидетельствует о преобладающей обстановке сжатия, растяжения или сдвига, в которой сформиро­ вался данный разлом.

Активность разлома и его участка оценивается по выраженности данного разлома или параллельных ему структур в рельефе или по данным повторных нивелировок и триангуляций. Для наблюдения за поведением активного разлома рекомендуется закладывать дол­ говременную наблюдательную станцию.

Чтобы оценить динамическое взаимодействие блоков в данном районе, необходимо выделить морфологические виды нарушений для учета обстановки сжатия, растяжения, сдвига. Здесь возможен двоякий подход:

1) зная морфологический вид разлома и закономерности оперя­ ющих его дизъюнктивов, определять вид последних;

2) определять вид дизъюнктивов по результатам изучения опе­ ряющих их трещин и по данным геологического картирования в руднике.

Таким образом, двумя независимыми путями можно оценить вид тектонических нарушений, а следовательно, и механизм их де­ формаций. В первом случае за порядок или ранг нарушенности принимается масштаб границ выделенного блока и определяется вид разлома, которому данная граница параллельна.

Наличие узла разломов, в котором расположено месторождение, и определение их подвижности по выраженности в рельефе и кине­ матическому типу границ, помогают расшифровать кинематику разрывной тектоники месторождения.

Во втором случае вид тектонической нарушенности определяется по результатам геологического картирования в руднике. Но здесь необходимо учитывать следующее.

Известно, что на каждом горнодобывающем предприятии име­ ется структурная карта месторождения, на которой отмечены все выявленные дизъюнктивные нарушения. Однако этот структурный план не является прямым отражением плана современных движе­ ний (подвижных зон) потому, что он несет на себе следы тектони­ ческого развития прошлых геологических эпох.

Положение разломов на местности фиксируется не сплошной ли­ нией, а отдельными ее индикаторами (например, сопряженными участками рельефа, уступами), которые находятся на значительном расстоянии друг от друга, но сближаются на топокартах и аэрофо­ тоснимках и даже сливаются, образуя при значительном уменьше­ нии масштаба сплошную линию разлома. В связи с этим участок разлома, расположенный между этими индикаторами, может не подтверждаться нарушенностыо шахтного поля, если оно окажется

вэтом районе, так как он только формируется На данном участке. Создается ложная картина: нарушения нет, участок спокоен. Одна­ ко зона данного разлома будет наиболее неблагоприятна с точки зрения планирования горных работ. Подобный случай наблюдается

вТаштаголе, где все четыре действующих ствола оказались в зоне подвижного разлома типа сбрососдвига, в результате чего они по­ стоянно подвергаются деформации в виде кручения.

Вслучае подтверждения границы блока нарушением в руднике вид его определяется геологическим картированием.

За основу классификации тектонической нарушенности рудника или шахтного поля примем классификацию разломов, учитывая, что тектонические нарушения являются «оперяющими» трещинами крупных разломов. Только в зависимости от кинематического типа разлома они по-разному их «оперяют».

Поэтому все разрывные тектонические нарушения шахтного по­ ля необходимо разделять на сдвиги, сбросы, взбросы, надвиги, раздвиги. Однако следует учитывать, что тектонические нарушения, ко­ торые будут характеризовать динамику взаимодействия блоков п-то порядка', испытывающих и вертикальные перемещения, и кручения под влиянием напряжений на границах блоков, не будут являться «чистыми» сбросами, взбросами и т. д. Их кинематическая природа будет более сложная и, очевидно, тектонические нарушения в руд­