CC BY
64
© И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, П. А. Аникин, А.М. Гулевич,
Г.М. Потапчук, 2005
УДК 622.831.32
И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, П.А. Аникин,
А.М. Гулевич, Г.М. Потапчук
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ГОРНЫХ УДАРОВ НА РУДНИКАХ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА
обыча полезных ископаемых и подземное строительство
в сложных горногеологических условиях и на больших
глубинах сопровождаются повышенным горным давлением, которое проявляется в таких опасных формах как сдвижение и обрушение участков массива, внезапные выбросы породы и газа, стреляния пород, горные и горно-тектони-ческие удары, нередко приводящих к катастрофическим последствиям.
На рудниках Дальнего Востока проблема удароопасности существует более 25 лет. Первые динамические проявления горного давления были отмечены в 70-е годы прошлого столетия при строительстве Николаевского рудника ПО «Дальполиметалл». В 80-е годы с увеличением глубины горных работ опасные горнодинамические явления происходили на Хинганском и Приморском и некоторых других рудниках. В последующие годы к склонным к горным ударам был отнесен целый ряд рудных месторождений Хрустальненского, Солнечного и Приморского ГОКов, на которых имели место динамические явления или отмечались внешние признаки удароопасности.
Таким образом, в настоящее время на целом ряде рудников Дальнего Востока России геомеханическая обстановка предопределяется либо динамическими проявлениями горного давления, либо отнесением глубоких горизонтов месторождений к опасным или склонным к горным ударам (таблица). На некоторых из них наблюдается весь спектр динамических форм горного давления вплоть до сильных с тяжелыми последствиями горных и горнотектонических ударов; на других — отмечены отдельные динами-
Условия и характер динамических проявлений горного давления на действующих рудниках Дальнего Востока и Забайкалья
Месторождение (рудник) Глубина горных работ по условию ударо-опасности, м Степень ударо-опасности месторождения [1] Характер динамических проявлений
Николаевское (Николаевский) 700 Опасное Стреляние пород, толчки, микроудары, горно-тектонические удары (наиболее мощный в 1989 г. на глубине 700 м с выбросом 25-30 тыс. м3 породы)
Южное (Второй Советский, участок «Южный») 180 Опасное Стреляние пород, толчки, горные удары (наиболее мощный в 1987 г. на глубине 170 м с выбросом 40 м3)
Хинганское (Хинганский) 500 Опасное Стреляние пород, микроудары, горные удары (наиболее мощный в 1989 г. на глубине 570 м с выбросом 20 м3)
Антей (Глубокий) 500 Опасное Стреляние пород, толчки, микроудары, горные удары, горно-тектони-ческие удары (наиболее мощный в 2005 г. на глубине 600 м с разрушением 160 п.м горных выработок)
Восток-2 (Восточный) 500 Склонное —
Перевальное (Перевальный) 600 Склонное —
ческие проявления, но с углублением горных работ прогнозируется рост интенсивности и масштабов опасных горнодинамических явлений.
Борьба с горными ударами до сих пор является одной из наиболее сложных проблем в мировой горной практике. Одной из основных возникающих здесь задач горной науки — изучение,
оценка, прогноз и контроль непрерывно изменяющегося геомеха-нического состояния массива горных пород. Разработка необходимых для этого методов и средств контроля, а также обоснование процесса управления горным давлением представляют собой традиционно актуальную, но в то же время трудную для решения, научно-производственную проблему горной геомеханики.
При участии специалистов ряда научных организаций на рудниках Дальневосточного региона выполнены геомеханические исследования горных ударов, апробирован и внедрен ряд методов и технических средств оценки и контроля удароопасности [2-4]. Значительный объем экспериментальных и теоретических исследований по данной проблеме выполнен Институтом горного дела ДВО РАН.
Геомеханическое изучение горного массива включало в себя геодинамическое районирование месторождений, выявление в пределах шахтных полей геодинамически активных разломов, оценку напряженно-деформированного состояния массива месторождения инструментальными или геолого-струк-турными методами, определение физико-механических свойств слагающих его горных пород. Установленные параметры современного поля напряжений и физико-механических характеристик пород, выступали граничными условиями при составлении прогнозных карт удароопасности глубоких горизонтов и отдельных эксплуатационных участков месторождений методами численного моделирования.
Результаты геомеханических исследований на опасных по горным ударам месторождениях Дальнего Востока, свидетельствуют как о наличии определенного сходства, так и о некоторых различиях в условиях формирования повышенной удароопасности разрабатываемых массивов горных пород. Все эти месторождения сложены крепкими, высокоупругими породами и характеризуются сложностью геологического строения и значительной тектонической нарушенностью. В массивах месторождений действуют неравнокомпонентные поля напряжений, в которых преобладают горизонтальные сжимающие напряжения, наибольшие из которых ориентированы в субширотном направлении и в 1,8-3,0 раза превышают гравитационную составляющую от веса налегающей толщи пород.
Установлено, что значительная неоднородность естественных полей напряжений, предопределяемая сложностью и особенностями тектонической структуры месторождений, еще больше усиливается при техногенном воздействии на породный массив в результате ведения горных работ существенно различными на рудниках технологическими схемами. Перераспределение исходных напряжений и их опасная концентрация на отдельных участках часто являлись главными причинами зарегистрированных на рудниках региона опасных динамических проявлений горного давления.
Одним из подтверждений данного вывода, в частности, могут служить результаты моделирования напряженно-
деформированного состояния методом конечных элементов разрабатываемого массива горных пород одного из рудных участков Хинганского рудника, особенностью которого является сложная тектоническая структура массива горных пород и наличие целого ряда сближенных рудных тел (рис. 1). Моделированием целого ряда горнотехнических ситуаций было установлено значительное влияние очистной выемки на поле действующих напряжений, уровень которых в зависимости от механических свойств горного массива, конфигурации контактов породных разностей и ориентировки главных напряжений может возрастать (более чем в 2 раза) или снижаться на расстоянии, значительно превышающем размеры очистного пространства [5].
Применение численного моделирования в условиях ряда удароопасных месторождений региона позволило не только выявить закономерности распределения напряжений в междублоковых целиках и краевых частях массива, но и определить оптимальный порядок отработки рудных тел, обеспечивающий минимальные концентрации напряжений и снижение удароопасности горного массива [2, 4].
Вместе с тем возможность формирования высоконапряженных потенциально удароопасных зон в разрабатываемом горном массиве предопределяет необходимость сопровождения процесса ведения горных работ оперативным аппаратурным контролем гео-механического состояния массива, особенно в участках, в которых прогнозируются зоны высокой концентрации напряжений.
Для контроля горного давления необходим и используется ряд методов как регионального, так и локального контроля удароопас-
ности участков массива. По мере развития научно-технической базы и возрастания требований к оперативности
а
Рис. 1. Распределение коэффициента концентрации нормальных (а) и касательных (б) напряжений в массиве пород рудной зоны Загадочной Хинганско-го рудника на стадии ее полной отработки
и информативности контроля все большее признание находят геофизические методы, из которых для решения проблемы прогноза горных ударов давно считается весьма перспективным геоакусти-ческий.
На удароопасных рудниках Дальнего Востока геоакустиче-ский метод применяют более 15 лет. Вначале использовали или испытывали сейсмоакустическую аппаратуру «Гороза-4» и «Гроза-16», разработанную НПО «Сибцветметавтоматика». Мобильная 16-канальная система, не требующая большого объема подготовительных и монтажных работ, позволяет в звуковом частотном диапазоне контролировать участки массива горных пород в прикон-турных зонах горных выработок. Для оценки состояния горного массива аппаратурой «Гроза-16» рекомендованы [6] эмпирические критерии удароопасности: продолжительность времени спада интенсивности акустической эмиссии (АЭ) после технологических (массовых) взрывов (более 1,5 и 3 часов, соответственно, для условий Николаевского и Южного месторождений), а также резкое возрастание интенсивности АЭ (более 90-120 импульсов за 15минутный интервал) без видимого влияния технологических процессов. Использование указанных технических средств и методических подходов позволило в ряде случаев прогнозировать удароопасную ситуацию на этих месторождениях. Однако в последние годы применение «Грозы-16», особенно на участках интенсивного ведения горных работ, далеко не всегда позволяет получать надежную информацию о состоянии массива. Недостаток заключается также в слабых (особенно из-за ограниченности размеров зоны контроля) информативных возможностях системы такого типа, так как можно определять, по существу, только один параметр
— интенсивность акустической эмиссии, т.е. число импульсов АЭ в единицу времени.
Повышение эффективности контроля и прогноза динамических проявлений горного давления, среди которых возможны очаги как вблизи горных выработок, так и в глубине массива, предполагает особую необходимость локации источников АЭ. Постоянно растущие объемы выработанных пространств и увеличение глубины ведения горных работ приводят к активизации геодинамиче-ских процессов, и, как следствие, к изменению и усложнению ранее сложившейся геомеханической ситуации. Признаком такой активизации является отмечающаяся в последние годы на месторож-
дениях региона техногенная сейсмичность, вызываемая такими подвижками структурных тектонических блоков, которые охватывают значительные пространства в глубине массива и трудно контролируются аппаратурой типа «Гроза».
В последние годы при проведении геомеханических исследований удароопасности в условиях действующих рудников Дальневосточного региона применяется измерительный комплекс на базе пятиканальной микросейсмической станции «Прогноз-5», которая в совокупности с дополнительно разработанными техническими и программно-методическими средствами представляет собой систему контроля горного давления. Модернизированный вариант этой аппаратуры «Прогноз-5АМ» используется в экспериментальном порядке на рудниках Хинганском (с 1993 г.) и Николаевском (с 2004 г.). Возможность определения с ее помощью координат и энергии источников регистрируемых акустических сигналов позволяет более надежно контролировать изменение состояния массива пород под влиянием горных работ.
Система контроля состоит из измерительного и питающего устройств и устанавливаемых в массиве горных пород (в скважинах диаметром 78-105 мм) выносных приемных преобразователей (датчиков-геофонов), соединенных с основными блоками аппаратуры посредством кабельных линий. Предусматривается возможность изменения (развития) конфигурации сети датчиков в зависимости от местоположения контролируемых участков, технических характеристик системы и организационно-технических возможностей горного производства. В состав системы входят также дополнительно разработанный блок интерфейса (блок преобразования и передачи данных от сейсмоакустической станции к ПК) и компьютер IBM со специальным программным обеспечением (программы записи и фильтрации локационных серий, расчета параметров АЭ и др.). Испытан также гибридный вариант системы: с использованием многоканального устройства на базе изготавливаемого компанией L-card 8-канального модуля E-440, представляющего собой современное универсальное программно-аппаратное устройство, которое со стандартной последовательной шиной USB (Rev. 1.1) может быть использовано для построения многоканальных измерительных систем ввода, вывода и обработки аналоговой
и цифровой информации в составе персональных IBM-совместимых компьютеров.
В настоящее время на нижних горизонтах Хинганского и Николаевского рудников в районе отрабатываемых рудных зон создана разветвленная сеть геофонов, охватывающая наиболее удароопасные участки рудничного поля площадью до 0,3 км2 (диаметр зоны контроля около 400-500 м). Питающее устройство и коммутационные элементы систем контроля размещены в подземных аппаратных, а основные блоки аппаратуры, включая центр управления системой на базе ПК, — в поверхностных комплексах рудников.
По результатам компьютерной обработки измерений строятся карты изолиний акустической активности, отражающие процесс перераспределения напряжений и деформаций в массиве под влиянием горных работ. Анализ пространственновременных закономерностей распределения очагов АЭ дает возможность оценить особенности и общий характер геомеха-нических процессов в разрабатываемом массиве горных пород. Иллюстрацией могут служить карта акустической активности одного из участков массива Николаевского полиметаллического месторождения, составленные по данным локации источников АЭ, где изолинии отражают процентное распределение числа акустических импульсов (рис. 2).
Участки массива с высокой плотностью пространствен-ного распределения очагов АЭ, так называемые акустически активные зоны, после дополнительного исследования (в том числе локальными методами) дифференцируют по степени потенциальной удароопасности. Состояние массива в пределах акустически активных зон отражает используемая на данном этапе сравнительная характеристика совокупности прогностических признаков: концентрированность очагов и степень локализации источников АЭ, повторяемость периодов акустической активности и ее незатухающий характер, скорость и направление миграции очагов, близость очаговой зоны к обнажению и др., количественно-качественные значения которых устанавливаются экспериментально для условий конкретного месторождения или его части. Заслуживает также внимания обоснованный в работе [7] количественный диагностический параметр удароопасности массивов
Рис. 2. Карта акустической активности участка массива горных пород Николаевского месторождения в проекции на горизонты -307 м и -320 м, построенная по данным локации источников АЭ в период с 01.08.04 г. по 31.07.05 г.: 1 - очаги источников АЭ; 2 - изолинии пространственного распределения очагов АЭ-событий; 3 - границы блоков, камер; 4 - тектонические нарушения
горных пород в виде отношения средних скоростей миграции фронтов индуцированной сейсмичности и средних «кажущихся» скоростей миграции отдельных сейсмособытий, который, по-видимому, может быть применен и для AЭ-событий.
Разработка критериев удароопасности продолжается до получения достаточного объема экспериментальных данных в характерных горно-геологических условиях. Предварительно для оценки удароопасности массива в пределах зон, выделенных по данным локации источников AЭ, используется разработанный и апробированный нами интегральный показатель, учитывающий комплекс признаков склонности массива горных пород к динамическим проявлениям горного давления [4].
Для более надежного обоснования мер безопасности в пределах потенциально удароопасных зон, выявленных в результате регионального прогноза, а также в других наиболее напряженных участках массива, осуществляется локальный прогноз удароопасности инструментальными и аналитическими методами (по дискованию керна при бурении скважин, геофизическими экспресс-методами, визуальными наблюдениями за состоянием выработок и др.). Локальные методы предназначены для оценки удароопасности краевых частей массива в пределах выработки, целика и других отдельных участков горного массива размером до 1G-15 м. Так, для локального контроля краевых частей горного массива и оценки эффективности противоударных мероприятий на ряде рудников региона апробирован метод регистрации естественной AЭ, который может быть реализован с помощью переносных регистраторов типа {^ЭР», «Aнгел», СБ-32 и др. [1]. В качестве критериев удароопасности использованы известные, установленные экспериментально [8] показатели: средняя интенсивность AЭ, амплитудное распределение импульсов AЭ.
По результатам геомеханических исследований для условий месторождений региона обоснован комплекс противоударных мероприятий, состав которых определяется степенью ударо-опасности горных пород. Разработанные основные принципы управления динамическими проявлениями горного давления на удароопасных участках массива пород включены в "Указания по безопасному ведению горных работ..." и используются при
решении вопросов вскрытия и эксплуатации нижних удароопасных горизонтов месторождений. К настоящему времени большинство разработанных защитных и противоударных мероприятий прошло апробацию в шахтных условиях.
Анализ опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления и тенденций их развития свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование методов и технических средств в данной области в значительной степени связано с разработкой информационно-компью-терных технологий. Использование микропроцессорной техники и современного программного обеспечения дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды, но и обеспечить необходимую степень их компьютерной обработки и интерпретации, тем самым существенно повышая эффективность процесса геомеханического мониторинга и надежность прогноза динамических проявлений горного давления.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99) / Колл. авторов / М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. 66 с.
2. Повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений Сибири и Дальнего Востока / А.М. Фрейдин, В.А. Шалауров, А.А. Еременко и др. Новосибирск: Наука, СИФ, 1992. 177 с.
3. Дорошенко В.И., Антипов А.В., Пиленков Ю.Ю. К проблеме горных ударов на Южном месторождении // Горный журнал. 1994. № 3. С. 56-61.
4. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках. Владивосток: Дальнаука, 2001. 167 с.
5. Рассказов И.Ю., Чернышов О.И., Марач В.М. Влияние условий разработки на характер формирования техногенных полей напряжений в удароопасном массиве горных пород // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 8. С. 50-55.
6. Дорошенко В.И., Антипов А.В., Смирнов О.Ю. Сейсмоакустический мониторинг удароопасности при отработке рудных месторождений Приморья // Горная геофизика. Междунар. конф. 22-25 июня 1998 г. СПб.: ВНИМИ, 1998. С. 99-104.
7. О возможных причинах увеличения сейсмической активности шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского месторож-
дения в 2003 г. Ч. I: Сейсмический режим / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, В.И. Востриков и др. // ФТПРПИ. 2004. № 4. С. 3-22.
8. Контроль удароопасности на рудниках Дальнего Востока / И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, О.И. Чернышов, В.М. Марач, А.И. Хмельницкий, В.Н. Богачек // Безопасность труда в промышленности. 2003. № 8. С. 8-10.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - кандидат технических наук, заместитель директора, Курсакин Г.А. - доктор технических наук, доктор технических наук, главный научный сотрудник,
Аникин П.А.- младший научный сотрудник,
Гулевич А.М. - младший научный сотрудник,
Потапчук Г.М. - младший научный сотрудник,
Институт горного дела ДВО РАН
----------------------------------------------- ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
ПРЕДЛАГАЕТ
Баклашов И.В., Картозия Б. А., Шашенко А.Н., Борисов В.Н Геомеханика: Учебник для вузов. В 2 т. — Т. 2. Геомеханические процессы. — 247 с.: ил.
КВЫ 5-7418-0004-1 (в пер.)
Приведены методы исследования геомеханических процессов, включая современные численные методы конечных и граничных элементов, а также физическое моделирование и инструментальные методы в натурных условиях. Изложенные методы использованы для анализа геомеханических процессов вокруг капитальных горных выработок и подземных сооружений. Рассмотрены процессы взаимодействия массивов горных пород с подземными сооружениями. В заключительной части приведены наиболее характерные инженерные задачи геомеханики с численными расчетами.
Для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по направлению «Горное дело».
