автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Предупреждение горных ударов при разработке крутопадающих урановых месторождений

РГ9 ОД

- 3 ОКТ 1996

На правах р у ко 1 глеи

Р Е II Е В Алексей Агафангелович

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ГОРНЫХ УДАРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОПАДАЮЩИХ УРАНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.! 1 - Физические процессы

горного производства

А в т о р е ф е р а г

диссертации на соискание ученой

степени доктора технических наук

Кемерово,1996

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете и в Сибирском филиале ВНИМИ

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

ЕГОРОВ П.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

МУРАШЕВ В.И.

доктор технических наук, профессор ФРЯНОВ в.н.

доктор технических наук ЕРЕМЕНКО А.А.

Ведущая организация- Восточный научно-исследовательский горно-рудный институт (ВостНИГРИ)

Защита состоится "С£ 1996 г. в И час. на заседании диссертационного совета Д 063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете, 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ¿"З " V П] 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт.гехн.наук,проф.

ТАШКИНОВ А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, Основу экономики России и саран СНГ в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем составляют и будут составлять сырьеше отрасли промышленности,' включая горнодобывающую. Основной объем добычи будет приходиться на ныне действующие рудники с перспективой их дальнейшей реконструкции и углубки.

На ряде рудников добыча полезного ископаемого ведется в высоконапряженных массивах горных пород, что порождает горные удары, проявление которых весьма отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы предприятий, ведет к травматизму и гибели людей, деморализует горняков. В саранах СНГ выявлено 62 месторождения склонных к горным ударам, на которых начальная глубина проявления горных ударов колеблется от 150 до 800 м. Малая глубина возникновения горных ударов в скальных массивах существенно меняет представление о напряженном состоянии верхней части земной коры. Требуется обоснование природы сил, порождающих эти грозные явления.

Исследованиями российских и зарубежных ученых установлено множество горно-геологических и горнотехнических факторов неоднозначно влияющих на удароопасное состояние скальных массивов. В связи с чем необходим индивидуальный подход к решению проблемы горных ударов на конкретном месторождении с учеюм накопленного опыта на других месторождениях.

Проблема сорных ударов на урановых месторождениях стран СНГ возникла в начале 70-х годов. При их отработке зарегистрированы все виды горных ударов. Отмечается увеличение количество горных ударов в 2-3 раза с понижением горных работ на 100м. Своеобразие исследуемых урановых месторождений заключается в приуроченности их к разрывным нарушениям и у них, как правило, нет четкой границы между рудой и вмещающими породами, которая устанавливается по результатам опробования, что позволяет выработать единый подход к решению проблемы горных ударов при их разработке.

Рассматриваемая в диссертационной работе проблема предупреждения горных ударов при разработке крут'опадающих урановых месторождений на основе новых результатов натурных исследований

-А-

по оценке геомеханического состояния удароопасности массивов горных пород актуальна, как с научной, так и практической точек зрения.

На важную значимость решаемой в диссертации проблемы указывает тот факт, что Государственный комитет СССР по Науке и Технике в течений,трех пятилеток своими постановлениями N 56 от 03.03.1976, N 86 от 02.04.1981 и N 552 от 29.10.1989 гг. определял план работы на исследуемых нами месторождениях в союзной программе "Создание и внедрение эффективной и безопасной технологии ведения горных работ, систем автоматизированного прогноза удароопасности при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений и строительства подземных сооружений". Всего в рамках этих трех программ с 1975 по 1992 гг. автор принимал участие в выполнении 22 работ ВНИМИ, прошедших регистрацию в ВНТИЦентре в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.

Целью, работы является установление геомеханических закономерностей определяющих удароопасность массивов пород в зоне и вне зоны влияния горных работ для разработки научно обоснованных способов предупреждения горных ударов при отработке крутопадающих урановых месторождений.

Идея работы состоит в использовании экспериментально установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива пород и его удароопасных свойств для разработки способов предупреждения горных ударов. Задачи исследований:

- изучить природу сил, вызывающих горные удары при разработке крутопадающих урановых месторождений;

-выявить потенциально удароопасные породы с учетом их запредельных характеристик;

-определить влияние структуры массива и технологии ведения горных работ на проявления горных ударов;

-обосновать и разработать методики и критерии оценки степени удароопасности участков массива горных пород;

-разработать способы предупреждения горных ударов с учетом геомеханических параметров удароопасных массивов и пространственного расположения рудных тел.

Методы исследований. В работе для решения поставленных задач применен комплекс reo механических и геофизических шахтных и лабораторных исследований, с обобщением результатов методами математической статистики и корреляционного анализа, опыгно-промышленные испытания способов оценки степени удароопасности и управления удароопасным состоянием массива.

Основные научные положения, выносимые на »ащиту:

-природу сил, вызывающих горные удары при разработке крутопадающих урановых месторождений, составляют силы тектонического и гравитационного происхождения и их перераспределение, обусловленное структурными особенностями массива горных пород и технологией отработки рудных тел;

- удароопасность пород находится в прямой -зависимости от соотношения модуля спада и модуля упругости при криволинейной зависимости от их прочности, потенциально удароопасными породами являются: граниты, альбититы, щелочные сланцы, роговики, кварциты, агломераговые туфы, андезитовые порфириты. туфы андезитовых порфиритов и известняки;

-типовые условия возникновения . , юрных ударов преимущественно определяются величиной тектонических напряжений, структурными особенностями массива торных пород и технологией отработки рудных тел;

- методология оценки степени удароопасносги учааков массива горных пород базируется на определении параметров формирующегося очага горного удара в двух измерениях, с удалением от обнажения в глубь массива и вдоль обнажения;

-повышение безопасности ведения горных работ, на участках месторождений, опасных по проявлению горных ударов, достигается за счет выбора порядка отработки рудных тел с учетом удароопасности вмещающих пород и взаиморасположения рудных тел. а параметры защищенной о! юрныч ударов зоны зависят одновременно от размеров выработанного пространства по простиранию ивкрест простирания защитно! о рудного юла;

- параметры локальных способов предотвращения юрных ударов определяется степенью удароопасносги участков массива назначением и взаиморасположением выработок.

Научная новизна работы:

-впервые установлены значения и ориеширонка тлавных напряжений в нетронутом массиве горных пород. Максимальные напряжения действуют в суСгориэотальной плоскости, ориентированы в субмеридиональном направлении и в среднем превышают значения напряжений, обусловленные весом пород в 1,52.3 раза. Зависимость увеличения напряжений с глубиной является линейной;

- установлен критерий (Л.) определения склонности пород к горным ударам, характеризующийся отношением модулей спада (М)

и упругости (Е), при А= М/Е гЗ горные породы относятся к потенциально удароопасным:

-определен уровень напряженного состояния пород I отношению к их прочности, при котором массив пород имеюи» трещиноватость менее 8 м-1 проявляет повышенную удароопас-ность:

1) на контактах хрупких разновидностей пород;

2) на сопряжении крыльев горизонтальной синклинальна складки с ядром и в области его килевидного замыкания;

3) в области выступающей относительно средней плоскости шн разлома;

- разработан способ оценки степени удаоопа<?ности участков массива горных пород отличающийся тем, что наличие опасност возникновения горного удара признается когда 1-я или II-категории удароопасности регистрируются в пределах интервал; равного минимальному размеру формирующегося очага горног удара вдоль обнажения, зависимому от отношения расстояния д максимальных нагрузок к характерному размеру обнажения;

- предложен способ разработки рудных тел, базирующийся н оценке удароопасности массива горных пород и установленно взаимосвязи геометрических параметров очистных пространств напряженно-деформированным состоянием пород. Информативны параметром при этом признан коэффициент формы, определяемы как отношение размера выработанного пространства вкрсс простирания к размеру по простиранию;

- разработаны и реализованы схемы и параметры локальны мер предотвращения горных ударов в зависимости от стспен удароопасности массива пород, назначения и вэаиморасположсни выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов

н рекомендаций подтверждается:

- использованием при проведении натурных и лабораторны исследований современных, широко апробированных методов

; аппаратуры;

длительными комплексными исследованиям геомеханического состояния удароопасных скальных массивов пр разработке крутопадающих урановых месторождений стран СНГ;

сопоставимостью данных, полученных различным инструментальными и расчетными методами, с поведением массива натурных условиях;

- положительной практикой предупреждения горных ударов н месторождениях "Антей", Желтореченском, Ватутииском,'Заозернои Берикульском, склонных к горным ударам.

Личный вклад автора заключается:

- в получении, обобщении, и статистической обработке результатов натурных и лабораторных исследований свойств и напряженно-деформированного состояния пород крутопадающих урановых месторождений России, Украины и Казахстана;

- в разработке методики оценки степени удароопасносги участков массива горных пород;

-в установлении критериев оценки удароопасносги пород и участков массива;

- в обосновании и разработке региональных и локальных способов управления удароопасным состоянием массива горных пород.

Научное значение диссертации состоит в установлении закономерностей напряженно-деформированного состояния удароопасных массивов горных пород при разработке крутопадающих урановых месторождений с учетом множества естественных и техногенных факторов и разработке на их основе эффективных способов предупреждения горных ударов.

Практическая ценность работы:

- выполнена оценка удароопасносги крутопадающих урановых месторождений стран СНГ;

- разработаны методики, критерии и номограммы для оценки степени удароопасносги участков массива хорных пород;

- разработан способ управления удароопасным состоянием массива при отработке свит удароопасных рудных тел, а также комплекс локальных и региональных мер. с обоснованием их параметров, по приведению краевых частей массива в неудароопасное состояние.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в нормативно-методические документы межотраслевого, и регионального уровней;

-''Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам" (Л.,1980);

-"Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам" (Л., ¡989);

Данные инструкции утверждены Госгортсхнадзором СССР и согласованы с Госстроем СССР, Минчермегом СССР, Минцвстметом СССР. Минстроймагериалов СССР, Минудобрсний СССР. Минтяжстроем СССР, Минэперю СССР, Мингео СССР и ВЦСПС.

- "Указания по безопасному ведению горных работ на рудниках организации п/я Р-6214, подверженных горным ударам" (Л., 1979);

_ с -

Каталог горных ударов на рудных и нерудных месторождениях (Л., 1986);

- "Указания по безопасному ведению горных работ на рудниках организации п/я Р-621-4, подверженных горным ударам" (Л., 1985);

- "Указания по безопасному ведению горных работ на Берикульском месторождении, склонном к горным ударам" (Кемерово, 1993).

. Разработанные методы оценки степени удароопасности краевых частей массива и способы приведения массивов пород в неудароопаснос состояние используются в учебном процессе горного факультета Кузбасского Государственного технического университета.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на Всесоюзных конференциях и<семинарах по горным ударам (Фрунзе, .1979; Североуральск, 1981); на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1977, 1982, 1984, 1986, 1990; Новосибирск-Екатеринбург, 1994); на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и технические средства контроля и прогнозирования проявлений горного давления на подземных рудниках цветной металлургии" (пос. Гай, 1979); на научно-практической конференции "Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства, открытых и подземных горных работ" (Кемдэово, 1983); на всесоюзных семинарах "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (Фрунзе, 1987, Бишкек 1991); на международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций " (Москва-Пермь, 1995); на секции горных ударов и внезапных выбросов угля и газа ученого совета ВНИМИ (Ленинград, 1975-1992), кафедре РМПИ КузГТУ (Кемерово, 1996); на международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" (Екатеринбург, 1996).

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 35 печатных работах, их них 2 монографии, 1 учебное пособие и 3 авторских свидетельства на изобретения, отражающих основное содержание диссертации.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на ЗеР страницах текста, содержит 8'/ рисунк£и, 12 таблиц, списка литературы из 2Ц наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние изученности проблемы предупреждения

горных ударов

Проблема предупреждения горных ударов органически включает в себя проблему достоверной оценки удароопасности месторождений и надежный контроль за состоянием удароопасного массива, которые в свою о^едь предполагают оценку удароопасности пород, исследование напряженно-деформированного состояния пород нетронутого и возмущенного выемочными полостями массива, а также определение области применения технических средств контроля с разработкой для них количественных критериев оценки степени удароопасности краевых частей массива.

Непосредственная разработка мер по предупреждению горных ударов базируется на всем комплексе знаний о поведении удароопасного массива, получить которое в условиях тектонических полей напряжений, отмечаемых на большинстве рудных месторождений, представляется возможным только на основе результатов шахтного эксперимента.

Значительный вклад в решение проблемы предупреждения горных ударов в целом, а также в разработку теории и практики сс отдельных составных частей внесли следующие ученые стран СНГ и возглавляемые ими коллективы: С.Г.Авершин. И.Т.Айтматов, С.А.Ватутин. И.М. Батугина, Я.А. Бич, В.И.Борш-Компониец, Д.М. Бронников, Б.III. Винокур, Н.П.Влох, ВВ. Дырдин, В.Б.Дьяковский, А.В.Зубков, П.В.Егоров, Л.А.Еременко, В.В.Иванов. М.В.Курленя, В.А.Квочин, К.Ч.Кожогулов, Г.И.Кулаков, С.В.Кузнецов, А.А.Козырев, А.М.Линьков, Г.А.Марков, В.И.М}рашев, И.М.Петухов, В.М.Проскуряков, А.Д.Сашурин, В.А.Смирнов, А.Н.Ставрогин, И.А.Турчанинов, А.А.Филинков. Р'.П.Чистяков, А.Т.Шаманекая, Е.И.Шемякин, Б.В.Шрепп. В.С.Ямщиков, Н.Г.Ялымов, и др.

Из зарубежных исследователей следует выделить: А. Пельнарж,Р. Квапил, Д. Тэйлор, И. Кук, Р. Штраубе, С. Крауч и др.

Все исследователи единодушны лишь по вопросу природы горных ударов сформулированной в виде необходимых и достаточных условий для возникновения этого явления, заключающего в следующем:

вo-пq5выx - действующие в массиве напряжения должны превышать прочность пород (руд) на обнажении, во-вторых-жесткость массива, окружающего очаг горного удара, должна быть ниже, жесткости пород в очаге, что то же самое, приток энергии в

_ то -

вероятный очаг горного удара должен быть выше способности его поглотить ее. Второй пункт данного положения на современном этапе исследований не несет должного ему прикладного значения и при решении практических вопросов чаще всего трактуется в следующем виде: "Породы (руды) слагающие массив должны обладать высокими упругими свойствами и способностью к хрупкому разрушению под нагрузкой". По остальным вопросам проблемы существует множество точек зрения объективно порожденных большим разнообразием горно-геологических и горнотехнических условий проявления горных ударов при отработке рудных месторождений, с одной стороны и недостаточной изученностью проблемы, с другой стороны.

Из приведенных выше предпосылок возникновения горных ударов наибольшую сложность представляет решение первого вопроса. Несостоятельность гипотез о распределении напряжений в скальных массивах, обусловленных весом вышележащей толщи, заставляет искать другие, но уже имперические зависимости изменения напряженного состояния пород с глубиной и по площади. Неравномерное распределение напряжений и очагов горных ударов по площади связано с активной ролью структуры массива, важнейшими элементами которой на урановых месторождениях выделяются крупные разрывные нарушения, складчатость, контакты литологических разностей пород , трещиноватость. До конца не изученным остается вопрос влияния технологии ведения горных работ на напряженно-деформированное состояние массива пород и форму проявления горных ударов. Важным представляется и определение потенциальной удароопасности пород по результатам лабораторных испытаний на прессах различной жесткости, особенно на том этапе разработки месторождений, когда еще отсутствуют такие явные признаки, характеризующие удароопасность пород и руд, как шелушение и интенсивное заколообразование. Не решенным остается вопрос выбора методов диагностики удароопасных массивов горных пород, разработки методических подходов к оценке степени удароопасности краевых частей массива для конкретных горнотехнических условий с учетом протяженности формирующегося очага горного удара вдоль обнажения и с удалением вглубь массива.

В не полной мере, разработанный на данный период, комплекс региональных и локальных мер по предупреждению горных ударов может быть применен на конкретном месторождении, необходима увязка ожидаемого типа горного удара и места его формирования с мерами направленными на его устранение.

Выполненный анализ • состояния проблемы позволил сформировать цель и задачи исследований.

Исследование геомеханических параметров удароопасиых

массивов пород крутопадаюших урановых месторождений

Исследования выполнены на примере месторождений расположенных на Украине, в Казахстане и в России.

Желтореченское месторождение расположено на севере Криворожского железорудного бассейна а пределах линейно-вытянутой в субмеридиональном направлении Криворожско-Кременчугской зоны метаморфических пород. Месторождение приурочено к центральной части Желгореченской синклинали, представляющей собой узкую горизонтальную складку длиной 9 км и шириной от 0,5 до 2,0 км, шарнир которой круто погружается на север. Падение пород крутое, близкое к вертикальному на крыльях (80-90°) и несколько поло же в ядре (60-75°), В строении синклинали принимают участие породы всех свит Криворожской серии. Горные работы ведутся на глубине до 1445 м. Выемка урановых руд производится системой подэтаж -ных штреков с погашением выработанных пространств твердеющей закладкой.

Месторождение "Антей", входящее в состав Стрельцевой группы месторождений находится на юго-востоке Урулюнгуевского блока, являющегося составной частью территории Приаргунского краевого поднятия мезозойской складчатой области, современное геотектоническое развитие которого связано с процессами активизации Байкальской рифговой зоны. В геологическом строении южного Приаргунья выделяются два структурных этажа. Сложнодис-лоцированные отложения верхнего слагают отдельные блоки и заполняют крупные впадины нижнего гранитного фундамента. Месторождение непосредственно приурочено к тектоническим швам северо-восточного направления нижнего этажа. Вмещающий массив представлен гнейсогранитами и гранитоидами сложного состава. Отработка месторождения осуществляется системой разработки с выемкой рудных тел горизонтальными слоями в нисходящем порядке и погашением пустот твердеющей закладкой. Очистные работы в слое ведутся по схеме "заходка-целик", а на участках пережима рудного тела - одиночными заходками.

Заозерное месторождение расположено в центральном Казахстане и приурочено к западному крылу субмеридиональной синклинальной складки, падающему на восток под утлом 60-70". Месторождение тяготеет к крупному Тастыкольскому разлому, простирающемуся в С-СВ направлении на 10-15 км па север и замыкающемуся в южной части месторождения. В структуре место-

рождения главенствующую роль играет дифференцированное«: геологической толщи на крупные слои различного минерального состава и мощности - толщу вулканогенно-осадочных пород лежачего бока месторождения, продуктивную толщу известняков и толщу покрывающих их пород осадочного происхождения. Рудные тела формировались исключительно по разрывным нарушениям и представлены согласно залегающими с известняками главным рудным телом N3, простирающимся на все месторождение и многочисленными секущими залежами в южной части рудного поля ориентированными перпендикулярно поверхностям напластования. Главное рудное тело N 3, в зависимости от мощности, разрабатывается системами подэтажного обрушения, подэтажного магазинирования и с магазинированием. При отработке секущих рудных тел применяют сплошную систему разработки.

Ватутинское месторождение размещается в западной половине Кировоградского блока Украинского щита. Структуру рудного поля определяют брахисинклиналь и ветвящаяся сеть разломов близмеридионального простирания. Месторождение локализовано в альбититах на участке пересечения Восточно-Курниковским разло--мом тонкослоистого горизонта мигматитов мощностью свыше 500 м, вмещаемого гранитами западного крыла антиклинальной складки. Основная ветвь Босточно-Курниковского разлома является рудоконтролируюшей и рудораспределяющей структурой. Все рудные залежи имеют северо-западное близмеридиональное простирание, юго-западное (под углом «60е') падение. Общая протяженность оруденения составляет 850 м. Отработка рудных тел производится системами подэтажных штреков (схема блок-целик) и системой с магазинированием. Погашение выемочных полостей производится твердеющей закладкой.

Своеобразные горно-геологические условия исследуемых месторождений позволили выделить особенности проявления горных ударов на конкретном месторождении, а также установить общие закономерности формирования горных ударов в краевых частях массива.

В результате исследований выявлен комплекс структурных факторов способствующих возникновению горных ударов. Состав этих факторов включает в себя роль складчатой, слоистой и блочной структур на удароопасное состояние горных пород.

Отражение складчатой структуры месторождения проявляется в локализации участков повышенной удароопасности в районах сопряжений крыльев складки с ядром и в области килевидного замыкания ядра складки. Отмеченные участей выделены на основании обобщения данных по распределению очагов юрных

- тз -

ударов в подготовительных выработках горизонтов 1105-1445 м Желтореченского месторождения.

Более 70 % случаев горных ударов зафиксировано в приконтактных зонах литологических слоев хрупких разновидностей пород, представляющих в условиях месторождения важнейший фактор локализации очагов горных ударов в подготовительных выработках. Горные удары происходят, главным образом, при пересечении одиночной выработкой контакта пород под утлом 3090°, а также на участках сопряжения выработок с камерами и восстающими пройденных вдоль контакта. Однако, в тех случаях, когда по контактам пород проходят разрывные нарушения, горные удары в приконтактных -зонах не локализуются и удароопаснос состояние пород на этих участках по существу не отличается от состояния пород в средних частях слоев. Размер зоны повышенной удароопасности у контакта пород составляет 0,25 мс, где мс--мощность слоев.

При рассмотрении элементов блоковых систем на уровне рудо-контролирующих • разломов, установлена повышенная опасность проявления горных ударов на участках, выступающих относительно средней плоскости шва и играющих роль жестких сочленений бортов при его новейших подвижках, связанных с действием сил геотектонического и техногенного происхождения. Удароопасное состояние массива пород на названных участках определяется крутизной высп-пов в направлении смещения бортов разлома по вектору максимального сдвигающего напряжения и изменчивостью физико-механических свойств.

Влияние трещиноватости массивов на удароопасность проявляется через то. что основную роль в механизме деформирования краевых частей массива играют сдвиговые деформации по трещинам в сторону обнажения. Эти деформации носят необратимый характер и при достаточном количестве трещин краевая часть массива приобретает псевдопластические свойства и опасности в отношении горных ударов не представляет. Исследование трещиноватости на участках проявления горных ударов и на смежных с ними показывает, что при густоте трещин (Г) более 8 м-' горных ударов в краевых частях массива не наблюдается.

Исследуя влияние технологии ведения горных работ на проявление горных ударов нами выделены типовые условия их проявления (Рис.1).

Наиболее, часто горные удары происходят в подготовительных и нарезных выработках, попадающих в зону опорного давления от выработанных пространств, ширина которой составляет до 60 м по простиранию и до 20 м по падению от границы выработанного

_ Т4 -

пространства. Разрушение краевой части происходит в форме послойного отрыва с размерами отделяющихся чашеобразных пластин в диаметре 0,5+0,6 м при толщине 5-8 см. Объем разрушения составляет, как правило 1*2 мЗ (Рис. 1 а,б).

Горные удары большей силы происходят в тех случаях, когда движение забоя выработки происходит на участок массива пород с модулем упругости значительно меньшим, чем породы, окружающие выработку (Рис.1 в). Это может быть слой пластичных пород, а в основном это тектонические нарушения с зоной раздробленных пород. На начальной стадии горного удара происходит послойное разрушение краевой части массива, а после достижения ширины целика между очагом послойного отрыва и зоной пластичных пород критической величины происходит разлом целика. В связи с этим ма-, териал в очаге разрушения имеет две формы отдельности в виде пластин и глыбовую.

Исследованиями установлено, что возникновение горного удара в подготовительных и нарезных выработках возможно лишь при определенном сочетании параметров h , а, в, где h - характерный размер обнажения (высота или ширина выработки); а - глубина очага горного удара; в - протяженность очага горного удара вдоль обнажения. Горный удар проявляется, если выполняется неравенство.

в> 16 (я//;)2 (1)

По отношению глубинности очага горного удара и размера обнажения, также отмечается ограничение возможности возникновения данного явления. Так, не отмечено горных ударов в тех случаях, когда отношение в/Л превышает 0,8.

В то же время подавляющее количество случаев («80%) зарегистрировано в приконтурной части массива при a/h <0.2 . Снижение частости горных ударов с ростом отношения a/It сопровождается ростом силы горного удара и объема разрушения. Так, нарушение технологического режима ведения горных работ чаще всего регистрируется при соотношении a/h >0.2.

При движении фронта очистных работ по восстанию на уменьшающийся целик, в верхней трети этажа резко возрастает опасность возникновения горного удара. Удары разлома хрупких пород почвы происходят, когда под ними залегают пластичные породы (Рис. 1 г). Объем разрушения достигает 20 мЗ. Форма отдель-ностей разрушения глыбовая. Отдельные блоки пород могут достигать 1 + 2 м в поперечнике. Удары кровли происходят up и

Рис. 1. Типовые условия проявления горных ударов, классифицируемые по условиям нагружепия: а, б, в - удары в одиночных выработках и целиках; г - удары почвы; д-удары кровли; е - тектонические удары.

- -

зависании хрупкого монолитного слоя пород (Рис. I д). При изгибании слоев в сторону выработанного пространства, в-результате их разлома и межслоевого сдвига происходит толчкообразное сотрясение массива, а под зависающей консолью разрушение целика происходит в форме послойного отрыва пластин пород.

Наиболее мощные по энерговыделению, а в ряде случаев и по объему производимого разрушения являются удары, связанные с межблоковыми подвижками по тектоническим нарушениям (Рис.1 е). Удаленность очагов тектонических ударов от очистных работ не позволяет в полной мере представить все возможные условия разрушения массива. Однако два установленных нами случая могут служить модельными образцами для' поиска потенциальных очагов горных ударов. Первый случай возникает, когда в результате межблоковых подвижек происходит спрямление тектонического нарушения. В этом случае массив проявляет свою удароопасность в различной форме на расстоянии до 60 м от линии среднего простирания тектонического нарушения. Второй случай происходит при разрушении жестких перемычек разлома.

Обобщающие выводы сделаны на основе анализа всех случаев горных ударов и их признаков, происшедших на исследуемых месторождениях.

Оценка удароопасности месторождений

Оценка удароопасности месторождений включает в себя оценку удароопасных свойств горных пород в лабораторных и натурных условиях, а также оценку напряженного состояния нетронутого массива пород. Оценка удароопасных свойств пород в лабораторных условиях произведена по работе деформаций и по запредельным характеристикам, а в натурных условиях по трещиноватосги, по формам разрушения приконтурного массива и по вдавливанию индентора в стенки скважины. Оценка напряженного состояния выполнена методом разгрузки, дискования керна и комплексом геофизических методов.

Используя критерии удароопасности разработанные Я.А.Бичом, А.Н.Ставрогиным, И.М.Петуховым и А.М.Линьковым выполнена оценка удароопасности свыше 20-ти разновидностей пород исследуемых месторождений. В критерии удароопасности задействованы параметры поведения образцов пород при нагруже-нии на прессе, представленных в осях напряжение-деформация, как в допредельной области деформирования, так и в запредельной. Иены-

тания образцов порол с учетом запредельной нехви производилось в лаборатории динамической прочности и высоких давлений ВНИМИ на специальном прессе. Высокая жесткость пресса, равная 2 х 106 \Ша, позволяет производить на нем исследования деформационно-прочностных свойств очень хрупких торных пород за пределом их прочности. Образцы пород для испытания, диаметром 30 мм, отбирались из специально пробуренных скважин на глубинах до 1245м.

Установлено, что все разновидности пород месторождений, согласно упомянутым выше критериям, являются удароопасными. Однако на практике горные удары и их признаки проявляются не во всех породах. Учитывая данный факт для пород исследуемых месторождений определен новый критерий удароопасности по полным диаграммам деформирования образцов. Порода считается удароопасной при А^М'ЕкЗ. В реальных условиях удароопасность пород определяется условиями нагружения, которые в свою очередь контролируются в основном технологией ведения горных работ. Принятые на рудниках технологические схемы ведения горных работ в целом соответствуют отработке удароопасных месторождений. Возможные изменения и системах разработки будут направлены на повышение жесткости нагружения и не могут сказаться на изменении порота удароопасности пород в сторону его уменьшения.

Коэффициент удароопасности ). позволяет' расположить породы, слагающие месторождение, в ряд опасности. Породы с наибольшим коэффициентом удароопасности наиболее часто подвержены разрушению в динамической форме (Рис. 2). 'Гак испытанные породы Желтореченского месторождения в ряду убывающей активности располагаются в следующей последовательности: альбититы, роговики, кварциты, магнетито-ге-матиговая руда. Установленная закономерность позволяет районировать участки месторождения по степени ожидаемой опасности на стадии проектирования горных работ.

Одной из особенностей урановых месторождений является широкий диапазон прочностных свойств рудовметцающих пород от 40 до 600 МПа. Установлено, что в ряду испытанных пород наибольший

коэффициент удароопасности Х.=6-г-12 имеют, породы со средними

прочностными свойствами езир- 200 ;300 МПа (Рис. 3). В пределах одной разновидности пород отмечается, как правило, прямая зависимость коэффициента удароопасности от прочности. Особенно наглядно это просматривается в районе рудоконтролирующих тектонических нарушений являющихся основными структурными

5 4 3

г \

пппипШГ 00 00 ШГ

0Ш

о

10

20

30

40 П

X

9 6

3

Рис. 2. Взаимосвязь частости проявления горных ударов с коэффициентом удароопасности X.

и.

ш.

иш

100 200 300 400 500 бпр.МПа

Рис. 3. Взаимосвязь коэффициента удароопасности X с прочностью горных пород: • - породы, проявляющие удароопасные свойства в натурных условиях ; о - неудароопасные породы.

элементами, порождающими неоднородность удароопасности массива. Установлена корреляционная зависимость параметров прочности с потенциальной удароопасностъю пород от ¡устоты трещин, возрастающей по мере приближения к разлому по экспоненциальному закону, Ширина неудароопасной зоны, определенная по значениям коэффициента потенциальной ударооиасносги, зависит от мощности зоны .дробления тектонического нарушения, характериз\тощейся размером элементарного блока менее 0.05 м.

При исследовании напряженного состояния пород нетронутого массива на всех месторождениях установлено превышение горизонтальных напряжений над вертикальными в 1,5 ^2,5 раза, аномально достигая 5 и более.

В горизонтальной синклинальной складке Желтореченского месторождения на глубине 1105 м наибольшие главные напряжения действуют по простиранию пород отклоняясь на С-СВ в западном крыле складки и на СГСЗ в восточном. Наклон наибольших г лавных напряжений относительно горизонта происходит на юг перпендикулярно шарниру складки. Примечательно, что по данным измерений величины наименьших главных напряжений п складке, ориентированных в субштфотном направлении, колеблются вокрм нулевых значений, указывая на отсутствие сжимающих деформаций вдоль разлома в районе месторождения. Установлены существенные различия в напряженном состоянии хрупких и пласшчных пород. Распределение напряжений в пластичных слоях более равномерно, форма эллипсоида напряжений в них ближе к шаровой, растягивающие напряжения отсутствуют совсем. Напряженное состояние хрупких пород во многом определяется соседствующими с ними слоев. В приконтактных зонах с пластичными породами отмечается пониженный уровень напряжений, переходящий в расшивающие напряжения, достигают^ 40 МПа vi более. Повышенный уровень напряжений отмечается на участках, представленных комплексами слоев удароопасных разновидностей пород. Распределение напряжений внутри данных комплексов слоев весьма неравномерно, максимальные концентрации их приурочены к приконтактным зонам слоев, несколько ниже напряжения в центральных частях слоев.

Для месторождения "Антей" установлены эмпирические изменения средних величин главных напряжений с глубиной. Соответствующие уравнения регрессии имеют вид:

СЛ= 9.2 + 0.048 X л МТТа, (72= 5.2 + 0.034 х Н, МПа,

(2) (3)

Сз = 4.4 + 0.023 х H, МПа (4)

Зависимости справедливы при 450 м< H <880 м. Коэффициент корреляции уравнений составляет от 0.78 до 0.84.

Из приведенных данных следует-, что на месторождении, в

среднем сзя>уН, 02*1,4 уН, СИ«2,3 уН. Ориентировка наибольших главных напряжений в плане близка к субмеридиональному направлению (азимут 160") и незначительно варьирует относительно этого направления в пределах 10-20£'. Наклон наибольших главных напряжений к горизонту составляет в среднем 10-15° на север.

Анализ тектонического строения Забайкальского региона на различных масштабных уровнях его рассмотрения позволяет предположить единство природы измеренных тектонических напряжений с деформациями раздвигания Байкальской рифтовой зоны, с направлениями которых эти напряжения совпадают.

На Заозерном месторождении наибольшие горизонтальные напряжения действуют в С-СЗ направлении (азимут I60'J) при некотором их наклоне на ceaq). Вблизи Тастыкомского разлома имеет место повышение уровня концентрации напряжений в среднем на 15-30%. Размеры зоны влияния разлома на напряженное состояние горных пород составили около 40 м. Показано, однако, что до глубины 550 м разлом не проявляет геодинамической активности.

На Ватутинском месторождении ориентировка наибольших главных напряжений по данным тектонофизики и косвенным признакам близка к субмеридиональному направлению, т.е. примерно параллельна простиранию I лавного разлома. Наклон их на север составляет 20-30°.

Следует отметить, что на месторождениях со средним уровнем

напряжений CTi i 4).5 Опр массив пород проявляет свою удароопасность в значительно больших объемах, чем на

месторождениях, где Ci=(0.1 0,3)<5пр .

Таким образом, исследование необходимых и достаточных условий для возникновения горных ударов позволило произвести оценку удароопасности месторождений (таблица).

Напряженно-деформированное и удароопасное состояние массива пород в юнах влияния очистных работ

Многообразие горнотехнических ситуаций, возникающих при отработке рудных месторождений, не позволяет использовать один

метод при исследовании напряженно-деформированного состояния массива пород в зонах влияния очистных работ. Для этих целей на месторождениях использовались следующие методы: метод разгрузки, электрометрический, сейсмический, звукометрический, контурных

Таблица

Перечень потенциально удароопасных пород и глубин, с которых месторождения относятся к угрожаемым и опасным по горным ударам

Мссторож- Потенциально Глубина, отнесения Глубина дение удароопасная месторождения к отнесения

порода опасным, по горным месторож.

ударам, м к угрож. по

горным ударам, м

"Антей" Граниты Желтореченское Альбититы, щелочные сланцы,роговики, кварциты 510 1100 450 550

Заозерное Агломераговые туфы, андез итов ы е порфириты, туфы андезитовых пор-фиритов,известняки 550 430

Ватутинское Граниты - 340

реперов, парных реперов, метод вызванной сейсмоакустической эмиссии, наведенного электромагнитного поля, метод дискования керна, метод естественного электромагнитного излучения. Исследования в основном производились по стандартным методикам. Однако для электрометрического метода, метода вызванной сейсмоакустической эмиссии и обоих электромагнитных методов выявлен ряд методических новшеств.

Изучено напряженно-деформированное состояние пород вокруг очистных заходок при отработке мощного рудного тела горизонталь-

ными слоями в нисходящем порядке. На основании более 100 зондирований массива пород установлено, что для очистных заходок, пройденных непосредственно по рудоконтролирующим тектоническим нарушениям, характерно наличие мощной приконгурной зоны нарушенных разгруженных пород. При этом, уровень напряжений в зоне опорного давления, как правило, незначителен, а ее удаление от контура выработки составляет 1,5 -¡-2,5 м. Вокруг очистных заходок, пройденных в напряженных массивах, зона нарушенных пород отсутствует, зона опорного давления располагается непосредственно у контура выработки, а максимумов напряжений может быть несколько. Деформирование подработанного массива пород очистными блоками происходит, в основном, в виде смещений бортов разломов друг относительно друга. В период активизаци смещений регистрируется повышенная степень удароопасности массива, горные удары различной силы и свечение в очистных заходках и подготовительных выработках на расстоянии до 60 м от очистных работ.

Исследованиями установлено, что определяющим фактором при формировании зональности напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработанных пространств является их коэффициент формы (к), определяемый как отношение длины выработанного пространства вкрест простирания пород (L) к размеру по простиранию (С).

Первая разрезка рудного тела сопровождается созданием очистной выработки, длинной стороной ориентированной вкрест простира-ния пород. Пока выполняется соотношение UC >3,5 в массиве с длин-ной стороны выработки формируется зона раз1рузки. Со стороны ко-ротких стенок отмечается концентрация напряжений, но предельная нагрузка на массив не достигается. При 1,5 < к < 3,5 массив по всему периметру выработанного пространства испытывает повышенные нагрузки. Если со стороны лежачего и висячего боков залежи напряжения не превышают уровня, существовавшего при образовании отрезной щели, то в призабойном массиве локально нагрузки достигают предельных. Дальнейшее развитие фронта очистных работ по простиранию ( L/C < 1,5) приводит к превышению напряжениями прочности массива пород в призабойной области.

Десяти - пятнадцати метровая зона запредельного деформирования - наиболее вероятное место проявления горных ударов в момент создания открытых очистных пространств (отрезные щели, камеры). При L/C. < 1,5 со стороны висячего и лежачего боков залежи в массиве пород проявляется рагружающий эффект. Ширина зоны разгрузки, отнесенная к уровню бурового горизонта определяется выражением :

- 0,4 С. м. (5)

В пределах зоны разгрузки выделяется защищенная зона шириной: 8з-0.15 С, м. (6)

Углы разгрузки и защиты в плане составляют соответственно 75 и 50°, а на разрезе вкрест простирания 75 и 55°.

При отработке свит сближенных рудных тел наибольшую устойчивость массив проявляет при расположении целиков и компенсационных пространств на защищаемом рудном теле в зоне ограниченной углами 50° и 75°. Разгружающее действие защитного рудного тела здесь проявляется в меньшей степени, чем в защищенной зоне, но достаточно, чтобы исключить разрушение в больших объемах.

Локальное проявление стреляния пород и потеря устойчивости массива в обычной • форме имеет место в данной зоне, но, как правило, не приводит к нарушению производственного ритма. Варьирование размерами компенсационных пространств и целиков

не решает проблемы обычной устойчивости в защищенной зоне, а проблемы горных ударов в зоне опорного давления.

Выявленная закономерность формирования зон с различным напряженно-деформированным состоянием характерна для отработки сближенных рудных тел, не имеющих целиков в едином створе по всем рудным телам. Сквозные целики препятствуя процессу сдвижения пород и их упругому восстановлению существенно изменяют картину напряженно-деформированного состояния пород. Проявляется это в уменьшении ширины зоны разфузки и концентрации опорных нагрузок в прилегающем к целику массиве. Специфичность сквозных целиков предполагает их поэтапное оформление, то есть на определенной стадии разработки они имеют разновысокие стенки. Показано, что именно на этой стадии как сам целик, так и прилегающий к нему массив со стороны короткой стенки наиболее опасен по проявлению горных ударов.

Оценка степени удароопасности участков массива

горных пород

На основании выполненных исследований разработана система комплексной оценки удароопасности участков массива горных пород, включающая поиск зон повышенной удароопасности методом структурного и горнотехнического анализа, систему атоматизированного сейсмоакусгического контроля удароопасности

и локальную оценку степени удароопасности инструментальными методами.

В основе структурного метода поиска зон повышенной .удароопасности лежит статистический учет пространственного расположения горных ударов либо инструментально установленная удароопасность массива. В качестве диагностических признаков удароопасности используется комплекс структурны* факторов, которые подразделяются по масштабному признаку на три класса. Факторы 1 класса: крупные разрывные нарушения и складчатость. Размеры их области влияния на порядок и более превышают размеры предельно напряженных зон. Факторы П класса: мощность слоев, контакты пород, разрывные нарушения, дайки, жилы. Размеры их области влияния соизмеримы с размерами предельно напряженных зон массива в местах проявления горных ударов. Факторы III класса: трещиноватость, сланцеватость , кливаж . Размеры их области влияния более чем на порядок меньше размеров предельно напряженных зон массива в местах проявления горных ударов. К зонам повышенной удароопасности относятся участки массива расположенные в зонах одновременного влияния структурных факторов 1 и П класса. К удароопасным относятся участки массива, испытывающие одиночное влияние структурных факторов I или II класса. К неудароопасным относятся участки ослабляющего влияния структурных факторов Ш класса, независимо от их положения в структуре рудного поля. В зоне влияния очистных работ совместно со структурными факторами удароопасности учитывается и установленная зональность НДС массива.

Комплексная система автоматизированного сейсмоакустическо-го контроля удароопасности основывается на оценке статистических характеристик результатов раздельной регистрации процесса трещинообразования горных пород в диапазонах разрешения 1-10 см, 10-102 см, 10-4 О3 см. Необходимость в организации данной системы контроля существует на месторождениях со сродним уровнем максимальных напряжений в нетронутом массиве

с1 > 0.5 тр.

Организация автоматизированного сейсмоакустического контроля включает три приоритетных уровня. Контроль за образованием микротрещин осуществляется без определения координат исгочни -ков. Частоты регистрируемых колебаний 20-500 кГц.

Трещинообразование в зонах влияния очистных работ сопровождается генерацией колебаний в полосе частот 0.5-:-30 кГц.

Частотный диапазон колебаний при образовании макротрещин составляет от 10 Гц до 1,5 кГц.

Разработана методика оценки степени удароопасноета для ?тода вызванной сейсмоакустической эмиссии, признанного одним 1 наиболее информативных и помехозащищенных. Удароопаелость генивается на основе энергетического показателя, характеризуюше-| уровень напряженного состояния участка относительно штериально безопасного для конкретных условий значения.

П (0.2 -1,5} Л кр (7)

(с 2-, Л' (о,? - 1.5J - сумма отсчеюв интенсивности за фиксированные ременные интервалы ( г =5 с) при бурении шпура на расстоянии 0,2 5 м от контура выработки; 7? (0.2-1,5) - количество отсчетов на интерше; Лгкр - критериальное значение интенсивности.

При Ki> 1 возможно проявление горного удара. При этом фор-1 вероятного горного удара определяется параметром:

^-IjViftW^O*)

(8)

ie X > 2 сумма отсчетов интенсивности при бурении

пура на интервалах 0.2-0.6 и 0.6 - / м; / - глубина шпура, причем i. 5 м.

При значении показателя А"; .■■] возможны следующие форлш >рных ударов:

О<JCj < 1- толчек в глубине массива; Kj ® ! - собственно горный улар;

К:-А - стреляние, шелушение, интенсивное заколообразопание. Анализом амплитудных распределений натурных данных :тановлены критериальные значения интенсивности: кр. ~ 750 - для выработок, находящихся в проходке при удалении не

элее8 м 01 забоя;

кр. = 1 ¡00 - для эксплуатируемых и остановленных на срок более суток проходческих выработок.

Представляя горный удар как явление, в подготовке и jot екании которого важную роль играет характер распределения зтрузок не только с удалением в массив, но и вдоль обнажения, ожно существенно повысить достоверность оценки удароопасносги, штывая эти два фактора одновременно. Основой повышения эстоверности служит взаимосвязь параметров а. е. h (I). Расстояние э максимума опорных нагрузок, в данном случае отождествляется с

глубиной очага горного удара.

Оценивая линейные параметры вероятного очага горного удара в двух измерениях с удалением вглубь массива по верхней части номограммы (Рис. 4) и вдоль обнажения по нижней, исключается ошибка использования противоударных мероприятий при недостаточной протяженности предельно напряженных зон для развязывания горного удара.

Рис. 4. Номограмма для определения

степени удароопасности участков массива пород: 1,11,111- категории удароопасности ; Ар-коэффициент концентрации напряжений.

По степени удароопасности участки массива пород, примыкающие к выработкам, подразделяются на три категории:

1 категория. Участок массива представляет опасность по проявлению собственно горных ударов и микроударов.

II категория. Участок массива преде¡анляет опасность по проявлению интенсивного заколообра.зования и стреляния торных порол.

Ш категория. Участок массива не представляет непосредственной опасности по динамическим формам проявления горного давления.

Наличие опасности признается, когда протяженность участка первых двух категорий вдоль обнажения превышает 1 Ца/>1)-', то есть находится в зоне 1-П (в). При недостаточной протяженности формирующегося очага горного удара (в") участок массива ошосшся к III-ей категории (неудароопасной). В тех случаях, когда в одной зоне отмечается участки первой и второй категорий принимается наивысшая из них. На практике определение протяженности формирующегося очаг горного удара осуществляется сгущением сети оценочных стоянок в местах первой и второй категории удароопасности, установленных по характеру распределения натру -зок вглубь массива.

Предотвращение горных уларов

Установленное многообразие природных и техногенных факторов, влияющих на удароопасность массивов не позволяет выработать универсальный подход к решению проблемы, В ю же время разработан ряд основопола1 аюших принципов, невыполнение которых делает разработку удароопасных кру ¡опадающих месторождений, с определенной глубины весьма затруднительной, экономически невьи одной, а в ряде случаев невозможной:

- общее движение фронта очистных ра'кч сверху ьни! (допускался восходящий порядок отработки слепых рудных тел при условии, что верхний горизонт не отработан):

-извлечение запасов единым фронтом от центра залежи к флангам;

-исключение (либо сведение к минимуму) встречных очистных фронтов.

Наибольший эффект по предотвращению горных ударов достигается рациональным порядком отрабожи рудных ¡ел в сиигах с учетом их пространственною взаиморасположения. и ударооиасноаи. Так для отработки рудных тел в юризоталъной синклинальной складке Желшреченскоги месторождения предложен способ разработки, предусматривающий с целью снижения удароопасности массива производить первоочередную отработку рудных тел в зонах повышенной удароопасности (на сопряжении крыльев складки с ядром), а неудароопасные рудные тела замковой части

отрабатывать в последнюю очередь. Причем свиту параллельны? рудных тел целесообразно разрабатывать начиная отбойку с рудногс гена, обеспечивающего наибольшую защиту соседним рудным телам Защитное рудное тело при этом должно иметь найменынук относительную удароопасность. В порядке возрастающей удароопас-ности рудные тела располагаются в следующей последовательности: рудные тела в неудароопасных породах; на контактах с пластичным!' породами ядра складки; в срединных слоях удароопасных пород; в приконтактных зонах удароопасных слоев. Кулисообразное залегание рудных тел исключает возможность использования защитной выемки. По этой причине минимальная опасность возникновения горных ударов достигается при таком развитии горных работ, кот да опорные нагрузки от выработанных пространств будут восприниматься наименее удароопасными участками. То есть первым должно разрабатываться рудное тело, имеющее наибольшую удароопасность в свите.

В случае оставления целиков на защитном рудном теле, предусматривается использование двух систем разработок для отработки защищаемого рудного тела: этажно-принудительного обрушения и с отбойкой на зажатую среду. Границей перехода от одной системы разработки л другой служит угол разгрузки от защитного рудного тела.

Обеспечение выработкам откаточного (бурового) горизонта ди -намической и обычной устойчивости достигается их расположением между зоной опорного давления и зоной запредельного деформиро -вания пород неустойчивого поведения, размер которой зависит от напряженного состояния пород и ширины выработанного гтростра -нства.

Установлено, что наиболее рациональной с точки зрения безопасности по проявлению торных ударов на Заозерном месторождении является первоочередная отработка труппы секущих рудных тел, с последующей отработкой рудного тела N 3. В свито секущих рудных тел первым должно отрабатываться верхнее рудное тело, а на нижележащих рудных 1елах направление развития очистного фронта должно быть от надработанной зоны в сторону нетронутого массива.

С учетом установленных особенностей формирования горных ударов и применяемой системы разработки на месторождении "Антей" основным принципом их предотвращения является создание вертикальных защищенных зон.Наиболее эффективно соиание защищенных зон камуфлетно-сотрясательным взрыванием опережающих скважин по швам геодинамически активных рудоконтролируюших тектонических нарушений. Для уменьшения степени техногенного

воздействия на массив параметры камуфлетно-сотрясагсиьното взрывания рассчитываются с учетом напряженного состояния пород на участках жесткого сцепления бор юн нарушений. Выравнивающее взрывание глубоких скважин может быть применено и для приведения в неудароопасное состояние полублоковых целиков. Приведение в неудароопасное состояние целика протяженностью 130 м и шириной 14 м привело к полному прекращению горных ударов и подтвердило эффективность разработанного способа.

Разработаны схемы предотвращения динамических проявлений горного давления из почвы очистных заходок, кровля и борта которых разгружены массивом твердеющей закладки, камуфлетньш взрыванием нисходящих шпуров и приданием почпы полигонной формы. Глубина шпуров, исходя из ширины защитной зоны, составляет 4.1-4.3 м, "высота" полигона по почве - 0.5-0.7 м. Схемы составлены для удароонасных участков с учетом наличия и расположения выработок нижележащего слоя.

Из локальных способов приведения выработок второй категории удароопасности в неудароопасное состояние рекомендуется возведение торкрет-бетонной крепи толщиной не менее 4-х сантиметров. Промышленные эксперименты покапали, чго устойчивость выработки значительно повышается, если перед торкретированием производить оборку заколов, представляющих только опасность падения, а устойчивые оставлять на месте. С заполнением промежутков между заколами бетоном создается 5-10-ти сантиметровая единая зона порода-крепь способная погасить очаг стреляния.

Для подпажных выработок обоснована полигонная форма поперечного сечения, коюрую выработке целесообразно придавать во время ее проведения путем перебуривания и взрывания ряда шпуров на 0.5 м за проектный контур выработки. Такой подход к образованию полит она не требует кардинального пересмотра паспорта буровзрывных работ на проведение выработки и обеспечивает хорошее качество его оформления.

Приведение забоя выработки в неудароопасное состояние как при использовании торкрет-бетонной крепи, так и при придании выработке полтонной формы поперечною сечения рекомендусгся осуществлять камуфлепшм взрыванием шпуров на глубину 0,5 м с расстоянием между шпурами 0,3 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных исследований

геомеханического состояния ударооиасных массивов горных пород изложены научно обоснованные технические и технологические решения по контролю и предупреждению горных ударов при разработке крутопадающих урановых месторождений, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горно-рудной промышленности.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертации заключаются в следующем:

1. Произведена оценка удароопасности крутопадающих урановых месторождений, включающая в себя исследования напряженно-деформированного состояния пород в нетронутом массиве и в зоне влияния очистных работ, прочностных и деформационных свойств пород, условий возникновения горных ударов. Установлены глубины отнесения месторождений к угрожаемым по горным ударам, а также на трех из них - Желтореченском с глубины 1100 м, Заозерном с 550 м и "Антей" с 510 м массив пород является опасным по проявлению горных ударов.

2. Па всех месторождениях установлено тектоническое поле напряжений со следующими основными характеристиками:

- на Желтореченском месторождении средние величины горизонтальных напряжений в нетронутом массиве составляют 1.5 у// при уровне вертикальных напряжений, близком к напряжениям, обусловленном весом налегающей толщи пород. Наклон наибольших главных напряжений относительно горизонта происходит на юг перпендикулярно шарниру складки. В западном крыле складки отклонение наибольшего в горизонтальной плоскости напряжения происходит на С-СВ и на С-СЗ в восточном:

- на месторождении "Лнтей" субгоризонтальная компонента тензора напряжений в 2-3 раза превышает вес вышележащей толщи пород. Ориентировка наибольших главных напряжений в плане близка к субмеридиональному направлению (азимут 160'). Наклон наибольших главных напряжений к горизонту составляет в среднем 10-15" на север;

- на Заозерном месторождении наибольшие горизонтальные напряжения действуют в С-СЗ направлении (азимут 160' ) при некотором их наклоне на север;

- на Ватутинском месторождении ориентировка наибольших главных напряжений близка к субмчтдиоиальному направлению с наклоном на север в 20-30".

3. Одной из особенностей урановых месторождений является широкий диапазон прочностных (40-600 МПа) и деформационных свойств рудовмещающих пород, в основном определяющих их

потенциальную удароопасность. Установлено, что наиболее информативным, позволяющим проранжировать породы по степени

удароопаснос1и, является показатель \дароопасносш МЛГ, це М-модуль спада. Е - модуль упругости. Порода считается удароопаснои при Х>}. Наибольшую удароопасность (к~ 6-! 2) имеют породы со

средними прочностными свойствами (<7пр~ 200 - 300 МБ а). В пределах одной разновидности пород отмечается прямая ' зависимость коэффициента лдароопасности 01 прочности.

4. Установлено влияние структуры массива на напряженное состояние и удароопасность "скальных массивов. Повышенную удароопасность представляют участки массива пород, выступающие относительно средней плоскости шва рудоконтролирующих разломов и играющие роль жестких сочленений бортов при их подвижках. Удароопасное состояние массива пород на названных участках определяется крутизной выступов и прослеживается на удалении до 60 м сп разлома. В горизонтальной синклинальной складке локализация участков повышенной удароопасности происходит в районах сопряжений крыльев складки с ядром и в области килепидно-го замыкания ядра складки. В пределах выделенных зон повышенной удароопасности более 70% горных ударов регистрируется в прикои-гактных зонах хрупких разновидностей пород в выработках, пересекающих контакт под углом 30-90°, Средние размеры зон влияния контакта составляют 0.25 мс. гдемс - мощность слоен. Трещнпо-ваюегь проявляется через свойства пород и при туетоте трещин

Г> 8 л!1 мае сив становится неудароопасеи.

5. Установлено, чю напряженно-деформированное и удароопасное состояние массива вокрут очистных пространств контролируется размерами выемки, системами разработки и порядком оформления конструктивных элементом систем разработки, а при ведении рабси и свите рудных тел на уменьшающийся пелик шириной межрудного прослойка. При г^тпой разрезке рудного тела призабойный массив находится в разгруженном состоянии, а по мерс развития работ начинает испытывать повышенные нагрузки и затем деформироваться за пределом прочности. Со стороны висячего и лежачего боков зона опорных нагрузок сменяется зоной разгрузки, в пределах которой выделяется защищенная зона.

Полученные данные явились основой для прогнозирования зон повышенной удароопасности методом анализа горнотехнической обстановки.

6. Определены условия применения и круг решаемых задач при оценке степени удароопасности пород геофизическими методами. Наиболее информативным, помехозащищепным и технологичным приз-

нан метод вызванной сейсмоакусгической эмиссии. Для метода вызванной сейсмоакустической эмиссии определены критериальные значения показателей характеризующих уровень напряженного состояния участка массива и вероятную форму горного удара . '

Разработана и внедрена в практику прогноза методика оценки степени ударооиасности краевых частей массива, включающая определение удароопасности в двух измерениях, вглубь массива от обнажения и вдоль него (а.с. ! 224411).

7. Обоснованы направления развития горных работ на удароопасных месторождениях позволяющих обеспечить массиву пород обычную и динамическую устойчивость. В свитах пластообрал-ных рудных тел в зонах разгрузки рекомендуется применять систему этажно-принудителытого обрушения, при выходе из которых необходимо переходить на систему отработки с отбойкой на зажатую среду. В горизонтальной синклинальной складке рекомендуется производить первоочередную выемку рудных тел на сопряжении крыльев складки с ядром, а рудные тела замковой части отрабатывать в последнюю очередь. ГГри совместной отработке крутопадающего и свит горизонтальных рудных тел в первую очередь должны отрабатываться последние ( а.с. 1078074).

8. Разработаны и доведены до практической реализации локальные меры по предупреждению динамических форм разрушения горного массива в выработках различного назначения и в конструктивных элементах систем разработки с учетом ожидаемого типа горного удара.

9. Результаты исследований по оценке удароопасности месторождений стран СНГ, порядку отработки рудных тел, методам контроля и приведения массива в неудароопасное состояние использованы при составлении нормативно-методических документов межотраслевого значения: "Инструкция но безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях склонных к горным ударам" (Л., 1980) и "Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам" (Л., 1989). Для девяти месторождений разработаны и внедрены "Указания по безопасному ведению горных работ".

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Справочное пособие для служб прогноза и предотвращения горных ударов на шахтах и рудниках. /Егоров П.В., Иванов В.В.. Дырдин В.В., Ренев A.A. и др./ - М., Недра, ! 995- 240 с.

- зз -

2. Каталог горных ударов на рудных и нерудных месторождениях. Д1етухов И.М., Генкин Б.А.. Винокур U.M.. Ренев A.A. и др./. JI., 1986. - 186 с.

3. Егоров П.В.. Репсв A.A. Управление сосюянием массива горных пород//Кузбасслюлитехн. ин-т Кемерово. 1988,- 91 с.

4. Егоров II.В.. Поляков А.П.. Ренев A.A. Влияние структуры массива на напряженное состояние горных пород на примере Желтореченского железорудного месторождения Др. ВНИМИ. Л.. 1976.-Сб. 99-С. 176-182.

5. Кторов П.В., Поляков А.Н., Ренев A.A. Оценка удароопасности некоторых типов пород Криворожья. //Горные удавы, методы оценки и контроля удароопасности массивов горных пород/. Фрунзе, "ИЛИМ", 1979. с 253-259.

6. Ренев A.A. Исследование характера деформирования сквозных целиков и рациональный порядок их оформления /Тр. ВНИМИ. Л., 1979. Сб. 111.-е. 41-44.

7. Егоров II.В., Ренев A.A. Оценка устойчивости обнажения в подготовительных выработках с учетом запредельных характеристик пород. //Совершенствование технологии выемки угля-и проведения подготовительных выработок в ГТрокопьевско-Киселевском районе Кузбасса /Тез.докл.,конференции: Прокопьевск. 1982. - с. 20-22 .

8. A.C. 1078074. Способ разработки полезного ископаемого в синклинальной складке/ею вариаты/ Кузбасский политехнический институт. /Егоров Н.В.. Ренев A.A./ - Опубл. 07.03.84, БЮЛ. N 9 .

9. Ренев A.A. Опыт предотвращения С1реляиия пород в капитальных и подготовительных выработках //Совершенствование к'.хники и технологии и организации шахiною строитсльсчва открытых и подземных i орных работ/ Тел. докл. к науч.-пракг. копф: Кемеров, 1963.-с. 27-28.

!0. Указания по безопасному ведению горных работ на рудниках ор!анизации п/я Р - 6214. подверженных юрным ударам. /Петухов U.M., Егоров П.В., Поляков A.1I. Ренев A.A. и др./ /Л., ВНИМИ, 1979.- 30 с.

11. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам /Петухов И.М. Айтматов И.Т., Антонов A.A., Ренев A.A. и др./

Л.Л980. - 149 с.

12. Егоров П.В., Ренев A.A. Влияние схемы развития торных работ на напряженно-деформированное сос:ояние массива при отработке сближенных рудных тел //Геомеханическая интерпретация результатов научного эксперимента. Новосибирск: - Изд. ИГД СО All СССР, 1983.-е. 25-29.

13. Ренев A.A. Поляков A.II. Результаты изучения напряжений в конструктивных элементах этажно-камерной систем),! разработки методом электрометрии //Напряженное состояние породных массивов Новосибирск: -Изд. ИГД СО АН СССР, 1978. - с. 131-133. '

14. Поляков А.Н. Ренев A.A. К определению величин напряжений методом разгрузки в массивах слоистых пород //Методология измерения напряжений в массиве торных пород. Новосибирск: - Изд. ИГД СО АН СССР, 1978 - с. 9-11.

15. Ренев A.A. Учет неоднородности электрических свойств горных пород при ингерпритации шахтных наблюдений //Изучение свойств пород в массиве геофизическими методами: Новосибирск: -Изд. ИГД СО АН СССР, 1983.-е. 123-128.

16. Ренев A.A. Изменение напряженно-деформированного состояния массива в процессе отработки крутопадающих удароопасных рудных тот //Разработка удароопасных месторождений: Межвуз.сб. научнлр. -Кемерово, 1986. - с. 40-44.

17. A.C. 1224411 Способ прогноза удароопасности горных пород //Кузбасский ноли технический институт, /Егоров II.В., Ренев A.A. , Дырдин В.В., Шевелев К).А./. - опубл. 15.04.86, Ьюл. N14.

18. Егоров П.В., Ренев A.A. К прогнозу горных ударов на рудных месторождениях //Прогноз и предотвращение горных ударов при разработке рудных месторождений. - Фрунзе Илим, 1986. - с. 6066.

19. Егоров И.В., Шевелев Ю.А., Ренев A.A. Расчет крепи с учетом динамического воздействия горных ударов' //Технология, механизация и организация строительства горных выработок: Межвуз. сб. научн. тр. /Кузбасс.политехн. ин-г - Кемерово, 1988. - с. 135-138.

20. Ренев A.A. Протностические параметры степени удароопасности краевых частей массива горных пород //Научно-технические проблемы развития шахт: Межвуз. сб. научн. тр. /Кузбасс, политехи, ин-т. - Кемерово. 1989. - с. 133-136.

21. 'Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях /объектах строительства подземных сооружений/, склонных к горным ударам/ МУ11 СССР, ВНИМИ, -/Айтматов И.Т., Ватутина И.М., Бич Я.А. Ренев A.A. и др./ Л., 1989. -59с.

22. A.C. N 1764370. Способ определения напряженного состояния участков массива горных пород /Приауцунекий юрно-химический комбинат./Ахметгаресв P.A., Вокип С.Ф., Мезенцев А.Ф. Ренев A.A./

23. Шевелев Ю;А. . Ренев A.A. Повышение устойчивости горных выработок при разработке, удароопасных месторождений

I

I

I

//Совершенствование подземной разработки месторождений: Межвуз. сб. научн. тр. /Кузбасс, политехи, кн-г. - Кемерово, - 1990. -с. 25-30 .

24. Ренеи A.A. Лазаренко C.B. О своеобразии проявления

горного давления в динамической форме в слоисшх массивах /Вклад ученых института и его выпускников в развитие производственных сил Кузбасса: Тез .докл. научи,- практ. конф., посвящ. 40-летию шг-та /Кузбасс, политехи, ин-т -Кемерово, 1990. - с. 34-36 .

25. Ренев A.A., Исаев A.B., Лубейник А.Н. Совершенствование технологических схем и применяемых систем разработок в удароопасных условиях //Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений: Сб. на\"ш. тр. часть 1/ВНИМИ.-Л., 1990. с. 109-11!.

26. Ренев A.A. Динамические формы проявления горного давления при отработке крутопадающих месторождений, способы их контроля и предупреждения //Управление состоянием массива горных пород: Сб. на\'чн. тр. /Ассоциация Кузбасс-углетехнолотия. -Кемеров. 1990.-с. 107.

27. Ренев A.A.. Ахмсггареев P.A.Выявление расслоений кровли горных выработок по результатам регистрации виброколебашш /Шаучн. -1ехнич. проблемы подземной разработки месторождений: Межвуз. сб. научи, тр. ./Кузбасс, политехи, ин-т - Кемерово. 1991. - с. 55-58."

28. Ренев A.A., Мезенцев А.Ф.Онеика удароописносш состояния массива методом вызванной сейсмоакустической эмиссии //Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья: Тез. докл. IU Всесоюзного семинара /Биигкекский политехи, ин-т - Бишкек. 1991. - е. 52 .

29. Ренев A.A. Порядок отработки рудных тел на vi рожаемом по горным ударам месторождении //Совершенствование технологических процессов при подземной разработке месторождений: Межв\'з. сб. научи, тр. /Кузбасс, политехи, ин-т -Кемерово. 1992. - с. 16-18.

30. Еюров П.В.. Ренев A.A. Об оценке удароопасното состояния массива горных порол //Управление напряжснно-дефор.мированньш состоянием массива торных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых; Гек докл. Всеросс. конф. - Новосибирск - Екатеринбург, 1994. - с. 15 .

31. Обоснование параметров конгррля сейсмичности массива при автоматизированном пропюзе удароопасности //Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных

ископаемых: Тез. докл. Бсеросс. конф. /Егоров П.В., Покровский С .С., Ахметгареев P.A., Ренев A.A./ - Новосибирск-Екатеринбург, 1994,-с. 120,

32. Указания по безопасному ведению горных работ на Берикульском месторождении, склонном к горным ударам /Егоров П.В., Шевелев Ю.А., Карасев A.B., Ренев A.A. и др.//КузГТУ,-Кемерово, 1993. - 28 с.

33. Прогноз горных ударов на основе регистрации сейсмических предвестников разрушения горных пород /Гез. докл. Международного симпозиума - 95. /Егоров II.В., Фокин A.A., Иванов В.В., Ренев A.A./ - Москва-11ермь,1995. - с. 28

34. Ренев A.A. ,Мезенцев А.Ф. Приведение массива пород в неудароопасное состояние при отработке крутоиадающей залежи //Геомеханические основы подземной разработки полезных ископаемых: Сб. научн. тр. /Кузбас.гос. техн. ун-т. Кемерово, 1993. -с. 34-38.

35. Ренев A.A. Деформирование блочного массива в зонах влияния очистных работ //Проблемы подземной разработки полезных ископаемых: Сб. научн. тр. /Кузбасс, гос. техн. vh-t Кемерово, 1996. -с. 77-80.