CC BY
54
УДК 622.23.054.72 А.А. Панжин
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ НЕДОСТАТОЧНОМ КОНТРОЛЕ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ*
Семинар № 11
~П практике наблюдений за про-
Л.З цессом сдвижения подработанного породного массива и прогноза развития геомеханической обстановки на горных предприятиях нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда инструментальные измерения проводятся в недостаточном объеме. В подобных случаях бесконтрольность геомеханиче-ских процессов в подработанной толще пород сопряжена с потенциальной опасностью внезапного обрушения пород над пустотами, с проявлением динамических явлений в массиве горных пород, а также с аэродинамическими процессами в горных выработках. Также нельзя пренебрегать и опасностью внезапного образования воронок обрушения и провалов на земной поверхности.
При отработке подземным способом месторождения «40 лет КазССР» возникла необходимость проведения диагностики состояния подработанного массива горных пород, прогноза его поведения и разработки мероприятий по предотвращению потенциальной опасности воздушных ударов на шахте «Молодежная» Донского ГОКа. Работа сильно осложнялась тем, что инструментальные наблюдения за процессом сдвижения, проводившиеся на шахте «Молодежная» Институтом горного дела УрО РАН на начальной стадии разра-
ботки месторождения, были фактически прекращены в 1992 г., и до 1999 г. разработка месторождения производилась без контроля процесса сдвижения пород налегающей толщи. С 1999 г. наблюдения были частично возобновлены по сильно сокращенной программе маркшейдерской службой шахты. До 2005 года инструментальные наблюдения проводились по 3 профильным линиям из 11, существовавших к 1992 г. В результате отсутствовали достоверные данные о состоянии подработанной толщи, наличии или отсутствии незаполненных пустот в породном массиве, проявлении процесса сдвижения на земной поверхности.
К 2005 году на месторождении «40 лет КазССР - Молодежное» сформировалась сложная техногенно-
геологическая система, приведшая в итоге, к аномальному развитию процесса сдвижения, ряд особенностей которого наблюдается визуально. Прежде всего, отмечается отсутствие внутри зоны обрушения провалов и воронок обрушения, что более характерно при формировании мульды сдвижения от разработки пологопадающих угольных пластов. Основной причиной подобного формирования зоны обрушения является совместное влияние двух факторов - с одной стороны, относительно пологого и глу-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ. 286
бокого залегания рудного тела №22, в котором сосредоточены основные запасы месторождения, а с другой стороны, физико-механичес-кими свойствами породного массива, склонного под воздействием влаги и рудничной атмосферы к разрушению на мелкие фракции, с чрезвычайно высокими скоростями - до 0.5 м/мес. Также отмечается различный характер деформирования западного и восточного флангов месторождения. Если на западном фланге граница зоны обрушения прослеживается по системе трещин с раскрытием до 2.5-3 метров, то на восточном фланге трещины отсутствуют, а нарушения сплошности породного массива представлены цепочками бугров выпирания породы - протяженность до 10 метров и высотой до 1.5-2 м. Такое явление обусловлено действием на флангах месторождения различных по знаку напряжений - растягивающих на западном и сжимающих на востоке.
Кроме этого, наличие в непосредственной близости от зоны обрушения выработанного карьерного пространства создает возможность для разгрузки подработанного породного массива в карьерное пространство с образованием в борту карьера сдвиговых трещин. Наличие на восточном фланге месторождения отвала пустых пород, заполняющего зону обрушения от разработки рудного тела в осях 60-72 играет двоякую роль. С одной стороны, размещение вскрышных пород в зоне обрушения, способствует улучшению геомеханической ситуации и приводит к более полному и плавному развитию процесса сдвижения, с другой же стороны, свойство породных отвалов аккумулировать воду в своем теле за счет конденсации водяных паров атмосферы воздуха создает по-
тенциальную опасность перепуска ее в горные выработки по системам трещин.
Большую роль в развитии процесса сдвижения играют мощные тектонические нарушения третьего порядка - сочленяющиеся сбросо-сдвиги, пересекающие месторождение в субширотном и диагональном направлениях. Данные тектонические нарушения прослеживаются как по данным детальной разведки, так и визуально на местности в виде ли-неаментов в рельефе. Плоскости сбрасывателей сбросо-сдвигов падают на запад под углами 70-85°, что, совместно с их взаимным расположением относительно разрабатываемого рудного тела №22, создает благоприятные условия для реализации по ним деформаций, вызванных подработкой породной толщи горными работами (рис. 1).
Суммируя вышесказанное, следует отметить, что на месторождении имеется ряд горно-геологических факторов, оказывающих заметное влияние на развитие процесса сдвижения в его нынешнем, аномальном виде. Поскольку подобная аномальность развития процесса сдвижения создает потенциальную опасность его внезапного развития в динамической форме, для получения достоверных данных о состоянии породного массива необходимо было провести натурные инструментальные исследования структуры подработанной породной толщи и характера ее деформирования, на основе которых возможно будет спрогнозировать дальнейшее развитие процесса сдвижения, и дан ответ о возможности внезапного обрушения пород над пустотами с проявлением динамических явлений в массиве, а также с аэродинамическими процессами в горных выработках.
Рис. 1. Техногенно-геологическая система, сложившаяся на месторождении «40 лет КазССР»
Исследование процесса сдвижения и состояния подработанной породной толщи на месторождении выполнялось в четыре этапа.
На первом этапе были проанализированы данные маркшейдерских наблюдений по 3 сохранившимся профильным линиям, по которым производились нерегулярные инструментальные наблюдения за процессом сдвижения (рис. 2), также была выполнена очередная серия наблюдений по профильным линиям I-III с высотной привязкой реперов к пунктам полигонометрии, находящимся за пределами области влияния горных работ. На этом этапе было установлено, что оседания реперов станции составляют от 79 до 11150 мм, таким образом, вся наблюдательная станция находится в мульде сдвижения [1]. Был отмечен дискретный характер деформирования массива. По про-фильным линиям I и II, заложенным вкрест простирания рудно-
го тела от-мечен дискретный, но трендовый ха-рактер распределения вертикальных деформаций, по горизонтальным де-формациям - растяжения в краевых частях, сжатие в центре. По профильной линии I, заложенной по простиранию -отмечен резкий знакопеременный скачек вертикальных деформаций в области валов выпирания грунта, по горизонтальным деформациям - небольшие величины сжатий в центральной части, аномально высокие в области валов выпирания грунта, а в конце линии деформации растяжений. Таким образом, величины деформаций и скорости приращения вертикальных и горизонтальных деформаций свидетельствуют об активном и полном развитии процесса сдвижения на месторождении, что делает маловероятным возникновение в породном массиве незаполненных пустот, склонных к внезапным обрушениям. С другой стороны, результаты из-
мерений, выполненных по данной наблюдательной станции не позволили достаточно четко установить границы зон обрушения и сдвижения на земной поверхности для определения фактических угловых параметров процесса сдвижения и сопоставления их с нормативными. Эта задача была решена в ходе выполнения следующих этапов данной работы.
На втором этапе состояние подработанного горными работами породного массива по всей площади мульды сдвижения было обследовано с применением современных геофизических методов -электроразведочными методами, и методом спектрального сейсмопрофилирования. Основной целью геофизических исследований являлось установление наличия и картирование в породном массиве незаполненных пустот и крупных нарушений сплошности массива.
По результатам геофизических изысканий двумя независимыми методами, в различных их комбинациях, было установлено, что исследуемый массив горных пород достаточно однороден, в нем отсутствуют незаполненные пустоты, при этом наблюдаются лишь незначительные зоны дезинтеграции горных пород, заполненные обломочным материалом мелкой фракции. Четко были закар-тированы крутопадающие границы -границы зоны обрушения на флангах и висячем боку месторождения и мощных тектонических нарушений субширотно-го простирания. Хотя геофизическими методами не было установлено наличие в подработанном массиве крупных незаполненных пустот, эти данные были проверены независимым методом на дальнейших этапах работы.
На третьем этапе исследовалась возможная роль геодинамической активно-
сти мощного тектонического нарушения, пересекающего подработанную породную толщу в субширотном направлении (см. рис. 1). Для оценки степени геодинамической активности этого тектонического нарушения были поставлены экспериментальные исследования в режиме непрерывного мониторинга короткопериодных смещений и деформаций [2]. При рассмотрении полученных результатов, было отмечено, что максимальные амплитуды смещений и деформаций концентрируются на измерительных интервалах, пересекающих тектоническое нарушение под прямым углом (по нормали). На данных интервалах отмечается геодинамическая активность, выражающаяся в цикличных короткопериодных деформациях породного массива, минимум в два раза превышающая аналогичные по остальным интервалам. На основании выполненных инструментальных исследований было подт-верждено предположение о высокой степени современной геодинамиче-ской активности тектонического нарушения. В условиях значительной подработки вмещающего породного массива горными работами, и формирования анизотропного вторичного напряженно-деформированного состояния, существующая геодинамическая активность значительно усилилась и реализуется в виде короткопериодных знакопеременных деформаций, происходящих на фоне трендовых подвижек по плоскостям сместителей.
На четвертом, заключительном этапе исследований предстояло решить две основные задачи - определить фактические угловые параметры процесса сдвижения и сопоставить их с нормативными, а также независимым методом подтвердить отсутствие в подработанном массиве крупных незаполненных пустот.
Для решения этих задач была произведена топографическая съемка зоны обрушения и мульды сдвижения на площади 72 гектара. Съемка производилась с использованием комплекса спутниковой геодезии в кинематическом режиме «Стой и Иди» с картированием рельефа по сетке 30x30 м. Отдельно картировались нарушения сплошности породного массива - трещины разрыва на западном фланге и висячем боку месторождения и цепочки бугров выпирания грунта на восточном фланге. По границам трещин разрыва с раскрытием свыше 200 мм и цепочек бугров выпирания грунта была отстроена фактическая граница зоны обрушения на земной поверхности (рис. 3), которая была нанесена на цифровой план местности. На этот же план были вынесены фактические границы отработанных запасов по горизонтам -55 и -135 метров. Определение фактических углов обрушения по цифровой модели производилось аналитическим методом путем определения вертикального угла наклона линии, соединяющей по нормали в плане нижнюю границу выработанного пространства с точкой выхода зоны обрушения на поверхность. В результате сопоставления полученных фактических углов обрушения с нормативными было отмечено, что на восточном фланге месторождения углы обрушения на 10° круче нормативных, а на западном фланге - на 10° положе, то есть наблюдается левосторонняя анизотропия в развитии зоны обрушения, которая может быть объяснена особенностями формирования вторичного анизотропного напряженно-дефор-мированного состояния подработанного породного массива на месторождении и воздействием на него техногенных нагрузок от карьера с севера и отвала пустых пород с востока.
Рис. 3. Определение фактических угловых параметров развития процесса сдвижения на месторождении «40 лет КазССР»
По результатам топографической съемки была построена цифровая модель местности, отражающая состояния земной поверхности на современный период времени. В цифровую модель также были переведены данные топографической съемки, выполненной до начала отработки месторождения «40 лет КазССР». Сопоставление двух цифровых моделей, отражающих исходное и современное состояние земной поверхности позволило, путем вычитания, получить цифровую модель, отражающую оседания земной поверхности, произошедшие в результате подработки породного массива. По изолинии оседаний 50 мм была проведена граница зоны сдвижения на земной поверхности. Поскольку величина оседаний 50 мм сопостави-
ма с точностью построения рельефа на топографических планах, фактическая граница зоны сдвижения на земной поверхности отстраивалась путем интерполяции от изолиний с величинами оседаний, больших 100 мм. Определение фактических углов сдвижения по цифровой модели, как и в предыдущем случае, производилось аналитическим методом путем определения вертикального угла наклона линии, соединяющей по нормали в плане нижнюю границу выработанного пространства с точкой выхода зоны сдвижения на поверхность. В результате сопоставления фактических углов сдвижения с нормативными [3] была отмечена картина, полностью аналогичная картине для углов обрушения, что на восточном фланге месторожде-
ния углы сдвижения примерно на 10° круче нормативных (экстраполировано), а на западном фланге - на 7-10° положе, то есть также наблюдается левосторонняя анизотропия в развитии мульды сдвижения.
Таким образом, было установлено что развитие процесса сдвижения горных пород и земной поверхности на месторождении происходит достаточно активно и полно, присутствует ярко выраженный дискретный характер деформирования породного массива и значительная анизотропия вторичного напряженно-деформированного состояния.
Подобное развитие процесса сдвижения свидетельствует об отсутствии опасности зависания подработанных пород и неконтролируемого развития самообру-шения пород налегающей толщи и земной поверхности с аэродинамическими
Рис. 4. Расчетная схема оценки изменения объема зоны обрушения
явлениями в горных выработках. Сдвижение подработанного породного массива происходит с рядом особенностей, обусловленных в первую очередь физико-механи-ческими свойствами породного массива, способного под воздействием воды и рудничной атмосферы к саморазрушению, геологоструктурным строением месторождения - морфологией и залеганием рудных тел, способствующих более плавному протеканию процесса сдвижения, анизотропией напряженно-
деформированного состояния массива, достаточно высокой геодинамической активностью мощного тектонического нарушения субширотного простирания, залегающего в лежачем боку рудного тела и близкому нахождению к формирующейся мульде сдвижения крупных техногенных объектов -карьера и отвала пустых пород [4].
Поскольку целью работы являлось исключение опасности неконтролируемого развития самообрушения подработанных пород налегающей толщи с аэродинамическими явлениями в горных выработках, необходимо было оценить саму вероятность существования в массиве незаполненных пустот. Полнота развития процесса сдвижения оценивалась аналитически по наличию в подработанном массиве дефицита объема, представленного незаполненными пустотами. Вариант аналитического расчета для этого случая включал в себя оценку изменения объемов разрушенных пород,
заполняющих зону обрушения. Расчетная схема оценки изменения объемов приведена на рис. 4. Основная идея данного аналитического метода состоит в том, что при расчете учитываются движения во времени и пространстве объемов горных масс - выемка руды из выработанного про-странства, заполнение выработанного пространства и зоны обрушения разрушенными породами и образование на земной поверхности незаполненной зоны обрушения.
Согласно геометрическим построением, ненарушенный породный массив до начала отработки занимает объем У1 = Уразр + Уобр. Объем Уразр+Уобр определяется как объем усеченного конуса высотой Нпор, боковые грани которого образованы под фактическими углами обрушения по западному и восточному флангам и висячему боку, а объем выработанного пространства Увыр определяется по объемам выданной на-гора рудной массы. После начала отработки, и изъятия из массива руды объемом Увыр, происходит обрушение массива на выработанное пространство, при этом разрушенный породный массив заполняет собой объем У2=Увыр + Уразр. Неизвестные величины Уобр, Нпор и углы обрушения определяются непосредственно по результатам натурных инструментальных измерений. Соотношение фактических объемов У1 к У2 дает коэффициент разрыхления породного массива, по величине которого возможно судить о наличии или отсутствии в подработанной породной толще незаполненных пустот. В результате расчетов было установлено, что коэффициент разрыхления подработанного породного массива составляет У2/У1 = 1.032. Максимально же возможный в данной ситуации коэффициент разрыхления, возможный при полном отсутствии оседаний земной поверхности составляет
1.051. Учитывая особенности развития процесса сдвижения на месторождении, такой коэффициент разрыхления подработанного породного массива следует считать достаточно высоким и гарантирующим отсутствие в подработанном массиве незаполненных пустот. С одной стороны, при отработке рудного тела еще не выполняется условие выхода воронок обрушения на земную поверхность, для выполнения которого, с учетом сохранения фактической глубины верхней границы выработанного пространства, требуется площадь выработанного пространства в плане в 1.65 раза больше нынешней. С другой стороны, зафиксированные по результатам инструментальные измерений высокие уровни сжатия массива в центральной части мульды сдвижения на восточном фланге, приводят к очень плотной переупаковке дезинтегрированного по-родного массива, поэтому при дальнейшем развитии горных работ на месторождении не следует ожидать высоких значений коэффициента разрыхления.
Таким образом, выполненный комплекс натурных экспериментальных исследований подработанного породного массива месторождения «40 лет КазССР - Молодежное» с использованием двух независимых методов - геодезического деформационного и геофизического, и проведенные аналитические расчеты и построения в условиях недостаточного контроля развития процесса сдвижения позволили выявить основные горно-геоло-гические факторы, оказывающие заметное влияние на развитие процесса сдвижения в его нынешнем, аномальном виде, произвести анализ закономерностей развития процесса сдвижения земной поверхности на месторождении, определить фактические границы зон влияния подземных разработок, увязать их в про-
странстве с горными работами и вычислить фактические угловые параметры сдвижения, уточнить структуру и состояние подработанного породного массива геофизическими методами
1. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: Утв. Госгортехнодзором СССР 03.07.86. - М.: Недра. - 1988. - 112 с.
2. Панжин А.А. Исследование короткопериодных деформаций разломных зон верхней части земной коры с применением систем спутниковой геодезии //Маркшейде-рия и недропользование. - 2003. - №2 (8).
и разработать геомеханическую модель процесса сдвижения горных пород при разработке месторождения «40 лет КазССР - Молодежное».
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана: Утв. Минметом СССР 02.08.90 - Свердловск: ИГД Минмета СССР, 1990.
4. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. ЕШ
— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------
Панжин А.А. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 11 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. И.М. Петухов.
------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Меркулов М.В. Обеспечение энергетических нагрузок буровой установки за счет утилизации теплоты дизельных электростанций (643/08-08 — 21.04.08) 3 с.
2. Меркулов М.В. Прогнозирование параметров установки утилизации теплоты в различных режимах работы (644/08-08 — 28.04.08) 5 с.
