Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

Для комплексного анализа напряжённо-деформированного состояния необходимо учитывать и влияние тектонических нарушений массива. По этому поводу примечательно следующее замечание [11].

«В пленарном докладе на IX съезде по теоретической и прикладной механике (2006 г.) акад. В. А. Бабешко отметил, что конгресс США прекратил финансирование программы прогноза землетрясений из-за отсутствия конкретных результатов. Дело в том, что исследования велись только геофизическими методами и в программе отсутствовала как основная составляющая механика горных пород, рассматривающая взаимодействие плит, ослабленных трещинами (разломами)».

Современная наука пытается дать количественную оценку указанного взаимодействия. В настоящее время эти значения носят эмпирический характер. Согласно экспериментально полученным формулам предлагают снижать нагрузку на очистной забой при подходе к дизъюнктивам. Общих рекомендаций по предложению математического аппарата не существует: аппроксимирующие уравнения, применяемые дирекцией шахт Печорского угольного бассейна, разнятся с уравнениями, применяемыми дирекциями шахт Кузбасса и Донбасса.

В работе [18] высказана мысль, обобщающая исследования по механическому состоянию массива горных пород в угольных шахтах во многих странах мира: "Если отношение горизонтального размера выработки к вертикальному большое, то деформирование становится настолько сложным, что для решения задачи нельзя использовать ни один из подходов численного моделирования. Это подтверждается неудовлетворительным характером некоторых лучших подходов аналитического и численного моделирования ".

Таким образом, перед исследователями остаётся ряд научных вопросов, на которые авторы пытаются дать ответ.

61

5. Обеспечениегеомеханическойбезопасностиведениягорных работ

5.1. Принципы обеспечения геомеханической безопасности горных работ

Безопасность подземных работ на современном уровне трактуют как защищенностьнетолькогорно-промышленныхобъектов, технологических процессов и персонала, но и защищенность общества и окружающей среды от вредного воздействия горной техносферы [4]. При разработке полезных ископаемых безопасность в значительной степени зависит от природ- но-техногенных геомеханических процессов в массиве горных пород.

К настоящему времени разработаны методы прогноза и предотвращения опасных горнодинамических процессов. Однако имеют место чрезвычайные ситуации при авариях и катастрофах геомеханической природы.

Под техногенной катастрофой геомеханической природы понимают быстротекущий или длительный процесс в системе со следующимипризнаками: ущербдляобщества, человеческиежертвы; внезапность

инеуправляемость; развитие процесса в режиме «самоподдержания».

ВРоссийской Федерации сформулирована идея безопасности сложного производства – концепция «приемлемого риска», согласно которой вопросы экономики (ущерб) и безопасности (риск природ- но-техногенного фактора) присутствуют в одном анализе.

Встранах с развитой рыночной экономикой давно действует гуманная концепция «абсолютной» безопасности. При этом силы общества направлены на обеспечение нулевого риска, сведению на нет влияния вероятностных факторов за счёт информационно-коммуникационных, мониторинговых и высокотехнологичных систем.

62

Основной особенностью проявлений горного давления при подземной разработке месторождений полезных ископаемых является проявление динамических и газодинамических явлений в форме горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа. В горнорудной и угольной промышленностях это горно-тектонические удары, микроудары, толчки, стреляния, внезапные выбросы (выдавливания) угля и газа, происходящие

вгазоопасных угольных пластах и породах. Опасными по горным ударам и выбросам являются рудные шахты Северного Урала, Горной Шории, Норильского региона, Кольского полуострова, Дальнего Востока, угольные шахты Кузнецкого и Печорского бассейнов, Ростовской области, острова Шпицбергена, а по внезапным выбросам соли и газа – рудные шахты Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

Одним из наиболее опасных регионов является Кузбасс, на угольных и рудных шахтах которого в период с 1943 по 2006 годы зарегистрировано 5473 динамических и газодинамических явления, в том числе: 210 внезапных выбросов, 222 горных и горно-тектонических удара, 42 микроудара, 3599 толчков и более 1400 стреляний.

Из рудных месторождений удароопасными в России являются Североуральские бокситовые залежи, при подземной разработке которых

втечение последних 5 лет произошло два горных удара и в настоящее время продолжаются микроудары, толчки и стреляния.

Динамические и газодинамические явления приводят к тяжелым последствиям, врезультатекоторыхгибнутшахтёрыигорняки, снижаются технико-экономические показатели работы угольных и рудных шахт.

Втечение последних лет количество подземных инцидентов не уменьшается: травмирование персонала, повреждение оборудования, затраты средств и времени на восстановительные работы (ш. Распадская, ш. Воркутинская).

63

5.2. Примеры толчкообразного деформирования массива

На ряде месторождений сложились условия, благоприятствующие динамическому проявлению горного давления. Шахтные поля рудников на Урале (Естюнинский и Магнетитовый), на Дальнем Востоке (Николаевский, Южный, Хинганский, Восточный, Перевальный) отрабатывают залежи на глубинах 180-700 м.

Эти месторождения сложены крепкими высокоупругими породами и характеризуются сложным геологическим строением и значительной тектонической нарушенностью. В породных массивах действуют неравнокомпонентные поля напряжений с преобладающими горизонтальными сжимающими напряжениями, которые в 1,8-3 раза превышают гравитационную составляющую (от веса налегающей толщи пород).

Существенная неоднородность естественных полей напряжений еще больше усиливается в результате ведения горных работ. Считают, что перераспределение исходных напряжений и их концентрация на отдельных участках часто является главной причиной опасных динамических проявлений горного давления.

Особенности геодинамики месторождений во многом обусловлены их приуроченностью к тектонически активным зонам, испытывающим глобальное сжатие вдоль одной из границ. Значительная часть выявленных в пределах шахтных полей тектонических нарушений относится к геодинамически активным, по которым могут происходить подвижки подработанных структурных блоков, имитирующие процесс толчкообразного деформирования массива и создающие предпосылки для горных и гор- но-тектонических ударов.

Анализ большинства зарегистрированных динамических проявлений горного давления свидетельствует о следующем:

-формирование удароопасных геомеханических ситуаций зависит как от природных (тектонические нарушения, контакты отличаю-

64

щихся по упругим и прочностным свойствам горных пород), так и от техногенных (высокая изрезанность массива выработками, в том числе наличие сопряжений выработок и различного рода целиков, расположение и форма выработок, влияние выработанных пространств) факторов;

-в отличие от незакономерных по времени проявлений начальных признаков удароопасности (шелушение, интенсивное заколообразование) более сильные динамические явления в основном происходят через определенный период после массовых взрывов или завершения цикла проходческих работ и, как правило, приурочены к участкам массива, сложенных крепкими и высокоупругими породами;

-по мере развития горных работ усиливается влияние на удароопасность геодинамических разломов: на рудниках Нижне-Тагильской градопромышленной агломерации, на Хинганском и Южном месторождениях. К этим зонам пространственно приурочено около 50% общего числа стреляний, толчков, горных и горнотектонических ударов.

Значительное увеличение объемов отработки может привести к возникновению качественно новой геомеханической ситуации:

-на рудниках Урала, ОАО «ГМК «Дальполиметалл» на ранних этапах освоения месторождений более 80% динамических проявлений отмечены при проведении подготовительных выработок, а в последнее время они все чаще происходят под влиянием очистных работ (на Николаевском руднике около 25% динамических проявлений горного давления регистрируют в зоне опорного давления на расстоянии 2-15 м от выработанных пространств);

-с увеличением глубины и масштаба отработки изменяются формы и характер динамических проявлений горного давления: все большее распространение получают толчки в глубине массива, некоторые

65

из них сопровождаются выделением значительной сейсмической энергии.

Решающая роль теории структурно-блочного строения массива заключается в том, что горно-тектонические удары ГТУ происходят только на участках шахтного поля, пересекаемых разрывными тектоническими нарушениями, и только теми из них, которые имеют достаточные размеры и окружены зоной концентрации естественных гравитацион- но-тектонических напряжений. В табл. 5.1. приведена классификация структурно-блоковой неоднородности скальных массивов, ГТУ происходят в блоковых структурах IV-V рангов.

Таблица 5.1 Классификация блоковых структур, образуемых разрывными нарушениями

(по КНЦ РАН)

66

5.3. Примеры сейсмической активности разрабатываемых месторождений

В последние десятилетия на отечественных и зарубежных горнодобывающих предприятиях произошли десятки ГТУ, которые по своей энергии и разрушительным последствиям могут быть отнесены к тектоническим землетрясениям – ТЗ (Ловченков А.В., 2003 г), табл. 5.2. Магнитуды этих геодинамических событий составляли от 2,3 до 5,6, а площадь разрушения горных выработок изменялась от 8 до 600 га. Следует отметить, что между магнитудами сильнейших ГТУ и глубиной горных работ прямой зависимости не просматривается. Самые большие магнитуды – до 5,6 наблюдали на калийных рудниках Германии на глубинах до 500-800 м. На золотых рудниках ЮАР и Индии магнитуды геодинамических событий на глубинах 2000-3100 м находились в пределах 3,6-5,2. Более того, на карьере в Польше в 1980 году имело место сейсмическое событие с магнитудой 4,6 на глубине 100 м, а на руднике «Карнасурт», расположенном на Кольском полуострове, в 2002 году зарегистрировано два события с магнитудами 2,3 на глубине 50-400 м от поверхности. На руднике «Умбозеро» зарегистрированы на глубине горных работ 400 м три ГТУ (1991,1992,1999 г.г.) магнитудой 4-4,5, с магнитудой 4 зарегистрировано более 100 событий.

Все это свидетельствует о том, что современные геодинамические движения, играющие первостепенную роль в формировании НДС массива горных пород, то есть его тектонические составляющие, проявляются в равной мере на больших и малых глубинах. Анализ и обобщение мировых экспериментальных данных по измерению напряжений в натурных условиях позволили сделать вывод, что первый инвариант горизонтальных тектонических напряжений практически не зависит от глубины [15]. Практика недропользования показывает, что в настоящее время геодинамика выступает в качестве основополагающего фактора в развитии

67

не только сейсмических событий, но и широкого спектра катастрофических явлений геомеханической природы на горнодобывающих предприятиях.

За прошедший период произошли изменения представлений от теорий гидростатического поля напряжений Гейма до НДС иерархически блочного массива с дискретным мозаичным распределением напряжений и деформаций благодаря инструментальным наблюдениям различных авторов. При этом гипотеза А. Вегенера о движении континентов по пластичной астеносфере приобрела статус теории тектоники литосферных плит. Затем были отмечены внутриплитовые циклические движения, концентрирующиеся в разломных зонах различных рангов, которые имеют амплитуды до 70 мм продолжительностью циклов от 0,1 до 1 года и локализованы вблизи разломов в радиусе 0,1-1 км. Наконец, экспериментальными исследованиями выявлен новый класс короткопериодичных циклических современных геодинамических явлений с продолжительностью периодов от нескольких секунд до минуты, часа, нескольких часов и более. Экспериментально зафиксированы примеры горизонтальных и вертикальных короткопериодическихцикличныхсовременныхгеодинамическихявлений с дискретностью 15 мин. Этот тип явлений концентрируется вблизи тектонических нарушений и в самих разломных зонах. Амплитуды достигают значений 110 мм у вертикальных движений и до 65 мм – у горизонтальных при деформациях до 2,5·10-3 и 1,5·10-3 соответственно.

Современные геодинамические движения переводят массив горных пород в состояние непрерывной подвижности. Под их воздействием в реальном иерархически блочном массиве горных пород с дискретным характером деформирования происходит формирование временных консолидированных блоков.

68

Оценка геодинамической опасности месторождений по энергии сейсмических проявлений на рудниках

В последние годы на рудниках зафиксирован ряд сильных горных (горно-тектонических) ударов, сопоставимых по энергии с землетрясениями. Поскольку непосредственной причиной этих событий является воздействие на массивы горных работ, их называют техногенными землетрясениями – ТЗ (107-1012 Дж), таблица 5.2. Они представляют геодинамическую опасность для рудника, так как могут повторяться.

Особенности ТЗ:

-сейсмические события имели место на рудниках, эксплуатирующих залежи без достаточной закладки выработанного пространства и обрушения подработанных покрывающих толщ пород (СУБР, ЮУБР, Карнасурт, Умбозеро, Соликамск).

Таблица 5.2 Сильнейшие горно - тектонические удары (техногенные землетрясения)

на рудных месторождениях России

69

Для перевода энергии событий применяют формулу Гутенбер- га-Рихтера:

М – магнитуда землетрясения.

Оценка удароопасности массива после массового взрыва

Удароопасность массива горных пород после взрыва оценивают па-

+ 2,74 – показатель энергетического класса; τ – длительность сейсмического события, с;

70