автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Мониторинг массива горных пород на стадии доработки рудных месторождений

УДК 622.831.3:622.235 На правах рукописи

РГБ ОД

, "".л

САТОВ МУХАМБЕТ ЖУНИСБАЕВИЧ

МОНИТОРИНГ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА СТАДИИ ДОРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Республика Казахстан Алматы 2000

Работа выполнена в АО «Жезказганцветмет» корпорации «Казахмыс»

Научный консультант — доктор технических наук, чл.-корр. НАН РК, профессор Ермеков Т.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, академик АН КР, профессор Айтматов И.Т. доктор технических наук, академик НАН РК, профессор Айталиев Ш.М. доктор технических наук, чл.-корр. НАН РК, профессор Ракишев Б.Р.

Ведущая организация — Кыргызско-Российский (Славянский) Универси-

Защита состоится 28 июля 2000 г. в 14-00 часов, ауд &Р252 ГМК на заседании диссертационного совета Д 14.13.04 в Казахском национальном техническом университете имени Каныша Сатпаева по адресу: 480013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени Каныша Сатпаева по адресу: 480013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22

тет

Автореферат разослан 12 июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

и 14-1,5,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Экономическое и социальное развитие горнодобывающей промышленности требует интенсификации очистных работ на рудных месторождениях и полноты извлечения минерального сырья, что приводит к росту глубины и объемов выработанных пространств.

С образованием больших объемов пустот происходит сдвижение горных пород, негативными последствиями которого являются обрушения налегающей толщи с выходом на земную поверхность. В результате этого разрушаются промышленные объекты, жилые дома и сооружения,- что сопряжено с экономическим ущербом и нередко с опасностью для жизни людей.

В связи с этим возникает необходимость оценки текущего состояния подработанного массива и прогноза возможных обрушений с целью предотвращения их аварийных последствий. Как показывает практика, обеспечение прогноза обрушений традиционными методами, без рассмотрения процессов деформирования и разрушения массива горных пород на основе современных физических представлений, становится проблематичным.

Поэтому решение прогнозных задач должно базироваться на использовании современных методов и средств мониторинга, получивших свое значительное развитие в последние годы. Этому способствовали работы как отечественных, так и зарубежных ученых. Следует отметить разрозненное применение для этих целей классических инструментальных геодезических методов и более оперативных автоматизированных систем приборного контроля.

Однако, до настоящего времени не установлены основные признаки обрушений и не выявлены закономерности развития этого динамического явления, считавшегося «внезапным», во времени и в пространстве.

«чТаким образом учитывая исключительную сложность геомеханических процессов, протекающих в массиве горных пород месторождений на стадии их доработки, а также дефицит исходной информации об определяющих эти процессы факторах, разработка технологии мониторинга подработанного массива горных пород, обеспечивающей безопасность ведения горных работ и сохранность объектов на поверхности, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное социальное и народнохозяйственное значение.

Исследования, выполненные в данной работе, связаны с реализацией Программы «Концепция по дальнейшей безопасной и эффективной разработке Жезказганского месторождения» (утв. Минпромторгом РК 5.05.95) и мероприятий, предложенных Правительственной комиссией РК (Распоряжение Премьер-министра № 400-р от 23.08.96).

Цель работы состоит в разработке технологии мониторинга массива горных пород на стадии доработки рудных месторождений для предотвращения техногенных катастроф.

Идей работы заключается в использовании полученных мониторингом в режиме реального времени величин аномальных отклонений информативных признаков, вызванных изменениями состояния массива горных пород, для предсказания, предупреждения и предотвращения техногенных катастроф.

В соответствии с поставленной целью и идеей в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- выявить на основе ретроспективного анализа результатов наблюдений за деформационными процессами информативные признаки подготовки обрушений и установить характерные стадии их развития;

- определить потенциально опасные по обрушениям зоны месторождения для организации на них наблюдений и контроля средствами мониторинга;

- разработать методику оценки текущего состояния выработанного пространства на участках месторождения, входящих в опасные зоны;

- определить технические средства мониторинга для регионального и детального прогноза обрушений;

- выбрать программные средства обработки данных мониторинга р, режиме реального времени; . .

- разработать технологию мониторинга и на ее основе создать и внедрить систему сбора информации в режиме реального времени, позволяющую осуществить оценку и прогноз возможных обрушений;

- проверить эффективность разработанной технологии мониторинга и адаптировать ее к условиям рудников Жезказгана.

Методы исследования. В работе при решении поставленных задач использовались методы механики горных пород, геодезии, сейсмолЬгии. геофизики и математической статистики с использованием ПЭВМ для обработки информации, а также метод ретроспективного анализа результатов длительных экспериментальных наблюдений за деформационными процессами и метод экстраполяции.

Научные положении и результаты диссертации, выносимые на защиту:

1. Процессы деформирования и разрушения массива горных пород приводящие к обрушениям, развиваются во времени и в пространстве в три характерные стадии. Эти особенности позволяют использовать для прогнозирования обрушений комплексный мониторинг, включающий инструментальный, визуальный и приборный контроль.

2. Диагностика подработанного горными работами массива обеспечивается установлением прогностической значимости информативных признаков инструментального мониторинга, пространственно-временными изменениями которых оценивается величина области разрушения в массиве горных пород. Это позволяет выявить аномальные зоны месторождения, опасные пс обрушениям.

3. Повышение эффективности оценки и прогноза обрушений средствами мониторинга достигается за счет рассмотрения процессов деформирования и разрушения в больших и малых объемах массива горных пород во времени и совершенствования методов оценки состояния выработанных пространств. Этс

юзволяет заблаговременно прогнозировать возможные обрушения на опасных ю обрушениям зонах.

4. Стратегия оценки и прогноза состояния выработанного пространства редствами мониторинга заключается в последовательном переходе от искретных наблюдений к непрерывным наблюдениям и в комплексном нализе величин аномальных отклонений прогностических признаков с омощыо информационной системы, что позволяет краткосрочно и оперативно рогнозировать обрушения.

5. Безопасность ведения горных работ и сохранность объектов на оверхности обеспечивается непрерывным мониторингом массива горных ород, позволяющим снизить риск возникновения техногенных катастроф за чет своевременного их предсказания, предупреждения и предотвращения.

6. Условие безопасности выполнения промышленных взрывов беспечивается непрерывным сейсмическим мониторингом за счет егламентирования фактического уровня колебаний для предотвращения азрушений поверхностных сооружений от сотрясений.

Научная новизна результатов работы:

- выявлены причины, условия, размеры и место образования воронок на гмной поверхности, а также характерные стадии развития обрушений;

- разработаны новые способы определения аномальных зон [есторождения, опасных по обрушениям;

- впервые рекомендована схема для прогноза обрушений в пространстве и о времени по комплексу информативных признаков различных видов ониторинга;

- разработана методика оценки текущего состояния выработанного ространства для выявления опасных по обрушениям участков месторождения, озволяющая заблаговременно прогнозировать время их наступления;

- создана информационная система для технологии мониторинга в режиме еального времени;

- разработана технология мониторинга массива горных пород, ключающая технические и программные средства, комплекс арактеризующих состояние массива информативных признаков, систему сбора

обработки информации в режиме реального времени для предсказания, редупреждения и предотвращения техногенных катастроф;

- осуществлена оперативная процедура прогнозирования обрушений, снованная на градации величин аномальных отклонений информативных ризнаков мониторинга в режиме реального времени;

выполнена классификация участков месторождения по степени :тойчивости;

- реализован круглосуточный оперативный контроль сейсмики взрывов в а ионе охраняемых сооружений для их защиты от интенсивных сотрясений;

- оконтуриванием пространственных объемов месторождения по ^явленным критериям впервые получен ряд важнейших прогнозных карт,

которые дают выход выполненным исследованиям для решения текущих задач горного производства.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются существенными результатами теоретических и экспериментальных работ автора, использованием разработанной технологии мониторинга массива горных пород, сходимостью экспериментальных зависимостей с фактическими данными маркшейдерских и визуальных наблюдений, положительной практикой прогнозирования обрушений на рудниках Жезказгана.

Личный вклад автора состоит в научном обосновании технологии комплексного мониторинга массива горных пород, в оценке текущего состояния массива горных пород и прогнозе возможных обрушений, во внедрении систем автоматизированного контроля 'и в получении ряда прогнозных карт обрушений для Жезказганского месторождения. Результаты исследований позволяют осуществлять стратегию доработки месторождений в сложных геомеханических условиях, снижая риск возникновения таких катастрофических явлений, как обрушение.

Научная и практическая ценность работы:

- осуществлен системный подход к решению проблемы наблюдения, оценки и прогноза состояния выработанного пространства с применением комплекса различных средств мониторинга;

обеспечены мониторинговое сопровождение добычи полезных ископаемых с целью предсказания, предупреждения и предотвращения техногенных катастроф и геомеханическое обоснование стратегии доработки рудных месторождений при:

а) составлении проел лов переноса инженерных коммуникаций и: выявленных предварительной диагностикой подработанного массиве аномальных зон месторождений, опасных по обрушениям;

б) осуществлении классификации участков рудных месторождений пс степени устойчивости;

в) текущем и перспективном планировании участков доработки рудны> месторождений;

г) установлении первоочередных участков погашения выработанной пространства обрушением.

Совокупностью результатов работы решена крупная научно-техническа) проблема - разработка технологии мониторинга массива горных пород обеспечивающая наиболее полное и безопасное извлечение минеральной сырья.

Реализация выводов н рекомендации работы. На основе разработок автора на Жезказганском месторождении внедрена технология непрерывной мониторинга массива горных пород.

Научные разработки использованы при составлении нормативно технических документов: «Временная методика оценки влияния сейсмию промышленных взрывов на охраняемые объекты» (1996), «Методически

указания по погашению выработанных пространств управляемым самообрушением налегающих пород на Жезказганских шахтах» (1997), «Технологическая инструкция по повторной разработке Жезказганского месторождения подземным способом» (1998), «Временные методические указания по выявлению ослабленных участков на рудниках АО «Жезказганцветмет» (1998), «Методические указания по зкспресс-оценке состояния выработанного пространства Жезказганского месторождения» (1999).

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на пленарных заседаниях Межведомственной комиссии по взрывному делу (Москва, 1984, 1985), научно-технической конференции «Эффективность и безопасность буровзрывных работ на карьерах и рудниках цветной металлургии» (Екатеринбург, 1986), Региональной конференции по научному наследию акад. О.А.Байконурова (Жезказган, 1992), Республиканской научно-технической конференции «Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского региона» (Жезказган, 1997), международной конференции по горной геофизике (Санкт-Петербург, 1998), научно-технической конференции, посвященной 100-летию академика К.И.Сатпаева (Жезказган, 1999), научно-практической конференции «Геотехнология на рубеже XXI века» (Новосибирск, май 1999), международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, октябрь 1999), научно-технических и координационных совещаниях АО «Жезказганцветмет» корпорации «Казахмыс» (1984-1999).

Публикации. Результаты выполненных исследований нашли свое отражение в 29 печатных работах и защищены 4 предпатентами РК и 2 патентами РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, 5 приложений, списка использованной литературы из 188 наименований и содержит 234 страницы машинописного текста, 63 иллюстраций и 20 таблиц.

g

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При доработке рудных месторождений с образованием больших объемов пустот активизируются процессы деформирования и разрушения массива горных пород, которые могут привести к крупным обрушениям с выходом на земную поверхность.

Одним из радикальных способов управления системой «целики - кровля» является заблаговременное погашение выработанного пространства, в первую очередь, на опасных по обрушениям участках. Такое погашение может быть осуществлено заполнением пустот закладочным материалом или обрушаемыми породами из кровли.

В рыночных условиях, при наличии огромного объема незаложенных пустот, применение различных технологических схем возведения искусственных массивов ограничено высокой трудоемкостью и себестоимостью добычи. В связи с этим, закладка выработанного пространства для обеспечения устойчивости налегающих пород от обрушения используется в небольших объемах, преимущественно под охраняемыми объектами.

Погашение объемов пустот на остальных участках более эффективно при применении технологических схем повторной выемки рудных целиков с управляемым обрушением налегающей толщи пород.

Однако, способ управления обрушением небезопасен, требует надежной оценки и прогнозирования устойчивости и поведения системы «целики -налегающая толща», что возможно только мониторинговым сопровождением добычи руд.

Результаты исследования состояния массива горных пород и физических процессов, протекающих в нем при разработке рудных месторождений, освещены в работах С.Г. Авершина, Ш.М. Айталиева, И.Т. Айтматова, О.А.Байконурова, В.И. Борщ-Компанийца, Ж.С. Ержанова,' Т.М. Ермекоаа М.И.Жаркенова, С.Н. Журкова, B.C. Куксенко, М.В. Курлени, В.А. Мансурова И.М. Петухова, Б.Р.Ракишева, В.В. Ржевского, М.А. Садовского, Е.И Шемякина, Ю.И. Чабдаровой, Р.Б. Юна, Н.Г. Ялымова, B.C. Ямщикова и др.

Анализ результатов исследований и практический опыт прогнозированш показали, что область применения аналитических решений ограничена, г экспериментальные методы наиболее перспективны для осуществление надежного контроля состояния подработанного горного массива.

Выполненный обзор работ в этом направлении показал, что на сегодняшни' день их недостаточно для совершенствования самих методов и среден контроля процессов, развивающихся в массивах горных пород, а методь прогноза на рудных месторождениях с использованием автоматизированные систем сейсмического контроля слабо реализованы на практике.

Кроме того, признаки проявлений деформаций и разрушения горных nopoj и массивов, присущие отдельным видам мониторинга, рассмотрень разрозненно и недостаточно изучены теоретически и экспериментально, i целях определения их прогностической значимости.

При рассмотрении физических процессов, протекающих в подработанном массиве, использовались современные представления о деформациях и разрушениях массива горных пород, о подобии разрушения на разных масштабных уровнях, о многостадийности разрушения и о прогностической значимости переходов между стадиями.

В исследованиях применены визуальные ' обследования степени разрушенности элементов горных выработок по методике ИГД АН РК, нивелирование земной поверхности по методике ВНИМИ и приборный контроль с использованием комплекса новых аппаратурных и программных средств. Изменением, внесенным в существующие методы, является изучение наблюдаемых процессов одновременно на больших и малых объемах массива в «динамике», т.е. в пространстве и во времени.

Обрушения являются катастрофической формой проявления сил горного давления, могут привести к разрушению сооружений и представляют опасность для жизни людей. Поэтому для обеспечения безопасных условий разработки необходим прогноз, осуществление которого определяется, главным образом, установлением причин, условий, времени и места образования воронок.

На Жезказганском месторождении с каждым годом наблюдаются неуклонный рост объема пустот и количества разрушенных целиков и, как следствие, рост количества обрушений. Это обстоятельство и создает потенциальную возможность образования внезапных обрушений земной поверхности и опасность воздушного удара в шахте.

Ретроспективный анализ происшедших обрушений показал, что наличие и непрерывный рост объемов непогашенных пустот и разрушенных целиков являются основными причинами обрушений, а условие образования воронок на поверхности определяется коэффициентом разрыхления и пролетом выработанного пространства. Следствие же характеризуется оседанием земной поверхности в зонах влияния горных работ, определяющим место образования воронок на поверхности.

На основе анализа результатов многолетних экспериментальных наблюдений за деформационными процессами установлено, что развитие обрушений характеризуется тремя последовательными стадиями: 1 стадия -скрытый период сдвижения; 2 стадия - нарастание сдвижения; 3 стадия -интенсивный рост сдвижения. Эти особенности механизма протекания обрушений во времени позволяют использовать для их прогнозирования комплексный мониторинг, включающий инструментальный, визуальный и приборный контроль.

На рисунке I в качестве примера показано развитие обрушения П-1, 9, 96ис, гор.270м. шахты 57 Восточно-Жезказганского рудника. Экстраполяция фактических величин деформаций земной поверхности позволила качественно а количественно описать закономерности развития обрушения в пространстве и во времени и учитывать эти закономерности в дальнейшем для прогнозирования.

10

Развитое обрушения 11-1,9,9би; гор.270 м шх.57 ВЖР

250

200

150

100

О 50

Профильная линия № 148, Кр22

09.07.85

06.06.86

06.06.87

06.05.8

05.05.89

14.06.90

22.05.91

15.08.91

10.09.91

0

23

36

54

90,5

134,7

обрушение

струмектальные методы

14.11.84 2s.gq.86 11.03.87 23.12.88 07.05.50 19.09.91 31.01.93

Дата наблюдений (год)

Рисунок 1.

Следует отметить, что приведенные картины изменения деформаций земной поверхности типичны и для других участков месторождения. Очевидно, что такое подобие объясняется общими закономерностями развития деформационных процессов.

Детализация во времени установленных стадий физических процессов дополняется и уточняется визуальными обследованиями в шахте и более оперативными данными приборного контроля.

Выявленные информативные факторы подготовки обрушения и установленные стадии процессов, несмотря на свою сложность, характерны для всех происшедших ранее обрушений и имеют явную - прогностическую значимость. Образование мульды сдвижения указывает на тот факт, что деформационные процессы достигли дневной поверхности. Слежение во времени за изменениями формы мульды сдвижения на поверхности позволит оценить величины области разрушения в массиве горных пород и заблаговременно прогнозировать тренд в их развитии.

При разработке рудных месторождений глубина Н и мощность залежей т, а также кратность подработки H/m оказывают существенное влияние на процесс сдвижения налегающих горных пород.

Геомеханической основой оценки состояния выработанных пространств по мощности и кратности подработки является зависимость деформации среды от напряжения и механических свойств, которая в простейшем случае для упругой среды задается законом Гука:

где е - деформация; а- напряжение; Е- модуль упругости. Для неоднородной толщи вмещающих пород и руд эквивалентный модуль упругости можно представить в виде:

где Еэ - эквивалентный модуль упругости;

Е1 - модуль упругости вмещающих пород или руд; к-, - мощность вмепдающих пород или руд. Для перекрывающихся вмещающих пород и руд формулу (2) можно переписать:

е - а JE,

(1)

(2)

где Еэ - эквивалентный модуль упругости; Я; - мощность вмещающих пород; т, - мощность рудных залежей.

Обратная к модулю упругости величина 1/Е - податливость, характеризующая деформируемость среды, в конечном итоге, определяет оседание земной поверхности: чем меньше Е, тем больше деформация или оседание. При отработке залежи с мощностью m¡ задается Е, — 0 для соответствующей залежи. При этом Е в целом уменьшается пропорционально числу отрабатываемых залежей с большими мощностями. Следовательно, оседание над отработанным участком оказывается больше, чем над

/V

неотработанным. Над разрушенной потолочиной ~ ^м> при этом

эквивалентный модуль Еэ над потолочиной станет меньше его же значения над целиками. Это означает, что деформируемость массива над выработанным пространством окажется больше, чем над целиками.

Данные прогностические признаки Е или 1/Е используются для детального определения на плане рассматриваемого участка оседания земной поверхности с учетом механических свойств вмещающих пород и рудных залежей, мощностей отрабатываемых залежей, наличия перекрытий и др.

Это позволяет установить зависимость текущего состояния массива от порядка отработки по глубине. Так, деформация неоднородной (кусочно-однородной) толщи определяется выражением:

е = а/Е, + а2/Е2 + ... + ап/Еп , (4)

где в - деформация толщи;

о;— напряжение;

Е1 - модуль упругости.

Связывая напряжения через объемный вес и глубины залегания породных слоев и рудных залежей, можно вести расчет непосредственно по формуле:

£ = Г1Н,/Е, +(у>Н, + у2Щ/Е2 + ... + (у,Н, + у2Н2 + ... + ууЯ,)/Еы , (5)

где у\— объемный вес г -го слоя пород;

Д- его глубина;

Е- модуль упругости этого слоя пород.

Для отработанной рудной залежи следует принять у! = 0 при сохранениии Я, и . Нетрудно видеть, что в зависимости от разной последовательности отработки рудных залежей по глубине можно получить разные значения деформации е.

На основе учета этих закономерностей пространственного изменения механических свойств пород и напряжений получены для месторождения

информационные планы перекрытий и мощности отработки, имеющие прогностическую значимость.

Рассмотрение причин и следствий происшедших обрушений позволило увязать корреляционной зависимостью предельно-допустимую величину оседания и кратность подработки НУт, что приведено на рисунке 2.

График зависимости оседаний земной поверхности от кратности подработки

Рисунок 2

Полученная корреляционная зависимость позволяет получать ожидаемые федельно-допустимые деформации з зависимости от кратности подработки 1/т.

Для практического использования выявленной закономерности изменения ¡еличины Н/т разработан способ определения аномальных зон месторождения, ютендиально опасных по обрушениям (предпатент РК №8159 и решение о (ыдаче патента РФ № 99109642).

Для оценки деформационных процессов во времени и в пространстве •азработан метод определения границ зон опасных сдвижений рудных деторождении (предпатент РК № 6891 и решение о выдаче патента РФ '«99109641), основанный на учете прогностического свойства критерия г|иах.

В результате использования критерия кратности подработки H/m < 10 и критерия максимального оседания г|мах выявлены аномальные зоны Жезказганского месторождения, опасные по обрушениям. Эти опасные зоны представлены в виде прогнозных карт по кратности подработки и по максимальным оседаниям земной поверхности, по результатам которых выполнена предварительная диагностика подработанного горного массива. Она дает возможность научно обосновать выемку руд на рудниках, способы и порядок погашения накопившихся потенциально опасных пустот, необходимость переноса поверхностных сооружений.

Знание таких потенциально опасных по обрушениям зон месторождения позволяет еще на стадии планирования и проектирования горных работ установить места возможных обрушений и принять меры по их предотвращению.

Для установления продолжительности устойчивого состоянии отработанных участков месторождения, находящихся в этих выявленных предварительной диагностикой потенциально опасных по обрушениям зонах, на них организовано наблюдение средствами мониторинга и осуществлена оценка их текущего состояния по специально разработанной методике.

Разработанная методика оценки является результатом выполненных теоретических и экспериментальных исследований с использованием физических закономерностей деформирования и разрушения горных пород, а также опыта практической оценки состояния выработанного пространства на Жезказганском месторождении.

Результатом методики является то, что впервые показана возможность оценки устойчивости выработанного пространства одновременно на малых и больших объемах массива горных пород месторождения, несмотря на многоярусность пустот, их большие объемы и мощности.

В целях аналитической оценки текущего состояния участков по оседаниям земной поверхности обратимся к формуле Мусхешвили Н.И.:

rj=yHJ3(l-v2)/Ey , (6)

где г/ - величина прогиба; у- удельный вес пород; Нм -глубина залегания породы-моста; / э - эквивалентный пролет;

V и Еу -упругие свойства переслаивающейся трещиноватой толнц

пород.

Согласно наследственной теории ползучести горных пород Ж.С.Ержанов; оседание во времени можно получить из этого выражения путем замень упругого модуля Еу на упругий оператор-функцию от времени Е,, т.е.:

где Е, = Е(1-Е')=Е[1-рЭ'аШ ¡3= 8Г(1-а);

Э'а (-/3) - спецоггерагор Рабогнова; а и о - параметры ползучести; 13— эквивалентный пролет.

Спецоператор Работнова Эа (-/]) имеет ряд замечательных свойств, тособствугощих решению задач теории ползучести. Для более простого вухпараметрического ядра ползучести Абеля с параметрами а, д с

^пользованием аппроксимации функции Эа (-8) можно получить:

-ш р Г1""

Е, =Е-е~

(8)

1е со = (1- а)

Тогда оседание с учетом ползучести массива определяется выражением:

ТТ , «5-11-

(9)

Как видно, с ростом времени г —» оо с учетом саХ?, /3>0 е<ор' -»да и г\, —> со, е. оседание растет с течением времени.

Окончательный алгоритм определения оседания для момента любого г,; и эемен />/, запишется в виде следующего выражения:

„ -„общ го-/И'-', )1~а

Чы, ~ л,-,, ■ I (10)

Рассматривая оседание как фактор геомеханической неоднородности ¡обходимо отметить, что она наиболее достоверно учитывается ютрументальными наблюдениями в натурных условиях.

Любой прогноз имеет вероятностный характер, неопределенность которого »условлена отсутствием учета главных признаков, определяющих состояние ¡ъекта или же недостаточностью информации о них. Надежную информацию

состоянии выработанных пространств можно получить только путем ^посредственных экспериментальных определений информационных »»знаков средствами мониторинга.

В связи с этим задача прогнозирования и предотвращения опасных юявлений горного давления сводится к определению характеризующих стояние массива горных пород прогностических признаков, и разработке на

этой основе новых методов долгосрочного, краткосрочного и оперативно! прогноза.

Главным, в решении вопросов прогноза обрушения на конкретном участг месторождения, является слежение за изменением геомеханической ситуации нем во времени, что позволит достоверно оценить устойчивость выработанно1 пространства, своевременно предвидеть возможные опасные последствия д: деятельности подземных рудников. При этом, оценка состояния выработанно1 пространства участка устанавливается с использованием комплексных даннь инструментального, приборного и визуального контроля.

Основными источниками информации о процессах деформирован! горных пород и земной поверхности под влиянием подземных разработс являются инструментальные наблюдения. При этом, важными параметрам процесса сдвижения в результате разработки полезных ископаемых являют« максимальное оседание г| и скорость оседания г).

В аналитическом аспекте описание скорости оседания является бол* сложной задачей. Дело в том, что само оседание является сложной функцие времени, зависящей как от ползучести пород, так и от скачкообразг изменяющегося пролета очистной выработки.

Ограничимся алгоритмом определения скорости оседания от ползучесп пород при /э = const:

d ■ и 7 iizidl d t »■!>*-\ О

Как видно, при f—>со, еш'р' —> оо и /а—>оо, т.е. имеем неопределенное

00

вида — и , очевидно, что для установления реального изменения скорост

00

оседания необходимо отдавать предпочтение инструментальным данным.

На эти характеризующие реологические свойства массива параметры ц и г судя по результатам аналитических исследований и инструментальнь наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхност существенное влияние оказывают мощность и глубина разработки, размер выработанного пространства, физико-механические свойства налегающе толщи пород, тектонические нарушения, наличие перекрываемых залеже обводненность и другие факторы.

Инструментальные наблюдения и обработка их результатов выполнялись г стандартной методике В НИМ И, которая позволяла получить картш-сдвижения земной поверхности в зоне влияния подземных горных рабо установить основные закономерности и параметры процесса сдвижения i линиям наблюдения.

Однако такая методика, несмотря на свою информативность, i способствовала обобщению данных измерений по площади месторождени визуализизации в пространстве и во времени процесса сдвижения земне поверхности, что сдерживало возможность оценки и прогно:

катастрофических динамических явлений, как обрушение. В результате приходилось периодически проводить экспертную оценку, основанную на суждениях специалистов.

Наличие большого количества данных натурных измерений по профильным линиям указывает на эффективное использование с целью прогнозной оценки метода экстраполяции. Последний позволяет выполнять глубохий статистический анализ полученных значений оседаний и скоростей оседаний, исключить случайные ошибки при измерениях и получить значительное количество результатов, соответствующих различному сочетанию участков профильных линий. Метод экстраполяции дает возможность оценить поле напряжений горного массива на месторождении в целом или на отдельных его участках с необходимой для практики точностью и надежностью. По максимальным значениям изолиний величии оседаний можно судить о степени устойчивости участка, а по сгущению изолиний - о подготовке обрушения.

Данная методика апробирована на всех участках Жезказганского месторождения, в результате чего получена прогнозная карта по скорости эседаний, которая дает надежную и достоверную информацию о текущем геомеханическом состоянии участков месторождения.

Для повышения оперативности инструментальных наблюдений используется метод (предпатент РК № 8322), обеспечивающий оценку и прогноз состояния контролируемых участков.

Таким образом, в результате выполненных исследований по данным ^движения горных пород и земной поверхности учитываются реологические ;войства массива горных пород и повышается эффективность оценки состояния зыработанных пространств средствами инструментального мониторинга, что тозволяет прогнозировать возможные обрушения на опасных по обрушениям юнах.

Исследование деформаций горных пород позволило определить место и зазмеры мульд сдвижения и оценить время развития обрушений. Практическое использование прогнозных карт по оседаниям и скоростям оседаний земной товерхности обеспечивает безопасные условия ведения горных работ и исключает ущерб от возможных обрушений, особенно в условиях высокой сонцентрации охраняемых зданий и сооружений.

Объективная информация о механических процессах в горном массиве ,южет быть получена также путем анализа динамических параметров упругих юлн, генерируемых очагом разрушений. В связи с этим возникает ;елесообразность рассмотрения месторождения как единого объекта техногенной деятельности, что возможно при использовании данных фиборного контроля для целей прогноза очагов повышенных концентрации юпряжений, где могут иметь место обрушения. Как известно, подготовка гакого явления заключается в подрастании сети трещин, сопровождающемся юстоянным излучением упругих волн, которые фиксируются в виде шума, реска и толчков из массива. Эти факты определены сейсмостанцией юспроизведения ВСС - 6/12 аппаратурного комплекса КАРС-1А-Н-01,

имеющего акустический контроль, и хорошо известны горнякам, как предвестники динамических форм проявления горного давления.

Задачей приборного контроля с использованием автоматизированных систем является выявление сейсмически активных областей и слежение за ними, что возможно периодическим районированием месторождения. Основными параметрами сейсмических наблюдений являются амплитуда скорости смещения и энергия сейсмических колебаний. Для учета указанных параметров в методике оценки предусматривается построение графиков интенсивности сейсмических колебаний по амплитуде или по энергии. Такая информация позволяет проследить во времени процесс развития и накопления дефектов на различных участках месторождения.

Для проведения исследований использовались как общеизвестные, так к

ттлпг то ¿^лтоттттт те гтлтпо ш «лгтИ'^олт.тиго Р т^птталтпа /л^лтттачппn^TTi' п.

riVJXJlJJW ^UJ^/lAU V 1 UltllDiV Vj^V^WlUU mvutliu^/liuiui XJ UU'IWIUV UUUL^VUJUVV 111Q1/1

применены маркшейдерские инструменты, а также используемая на крупны* подземных рудниках России система контроля «Регион» (Сибцветавтоматика) v эксплуатируемая на зарубежных рудниках система контроля «MosDas» фирмь DMT.

В основу исследований, выполненных с помощью chctciv автоматизированного контроля, положено то обстоятельство, что пс параметрам возникающих при разрушении массива горных пород импульсов -их амплитуде и энергии - можно судить о характере, масштабе этогс разрушения.

Стадия доработки рудных месторождений характеризуется нарушенностьк массива горных пород в результате длительной техногенной деятельности, т.е продолжительность жизни объекта приходится на развитие процесс; накопления повреждений. При этом, согласно современным представлениям и: физики разрушения и иерархии этого процесса, возникает необходимост] масштабного рассмотрения сейсмического процесса одновременно на малых i больших объемах массива горных пород. Это обусловило создан» региональной радиотелеметрической системы автоматизированного контрол: сейсмических событий (РРТС).

Исходя из этих соображений, автором были разработаны требования : аппаратуре контроля обрушений и на основе технического задани отечественным ГШ "Прибор" был изготовлен экспериментальный образа аппаратурного комплекса РРТС, наиболее отвечающий требованиям контрол на стадии доработки месторождений.

Аппаратурный комплекс РРТС производит измерения ивдуцированно] горными работами сейсмичности в различных точках массива с помощь* сейсмодатчиков на полевых пунктах, установленных на дневной поверхности,; их передачу на центральный пункт сбора и обработки информации средствам: телеметрии.

Система контроля РРТС состоит из двух частей - полевой, представление 8 полевыми пунктами и лабораторной - центра сбора и обработки информации В каждом полевом пункте производится непрерывный прием информацш

поступающей от трехкомпонентного сейсмопрпемника СК-1П, ее усиление, преобразование в цифровую форму и передача через модем и радиопередатчик в центральный пункт по телеметрическому каналу. В центральном пункте информация от всех полевых пунктов "привязывается" к точному времени по кварцевым часам и вводится в локальную компьютерную сеть, образованную двумя ПЭВМ. Локальная сеть обеспечивает выделение полезной информации, ее регистрацию и обработку с определением координат гипоцентров событий и их энергетического класса. Принципиально выделение полезных событий выполняется с использованием соотношения энергии сейсмических колебаний сигнала (в коротком окне - STA) н фона (в длинном окне - LTA), числа полевых пунктов, зарегистрировавших событие, и разности времени регистрации события различными полевыми пунктами.

При существующей сети наблюдений система контроля РРТС позволяет регистрировать события преимущественно энергетического класса 2 и выше, точность определения гипоцентров составляет от десятков метров при событиях 103 Дж до единиц метров при событиях более 104 Дж.

Основными преимуществами РРТС являются:

- использование радиотелеметрической передачи сейсмической информации, не требующей применения проводной связи и позволяющей оптимизировать сеть наблюдений;

- цифровая передача информации, обеспечивающая большой динамический диапазон и высокую точность регистрации;

- возможность оперативной обработки информации с определением координат очага и энергетического класса событий.

Данная сейсмическая система контроля РРТС, в силу своей практичности и эффективности, в основном и используется для осуществления регионального контроля за состоянием всех участков горного массива в условиях уникального Жезказганского месторождения.

Система контроля MosDas характеризуется более широким диапазоном сейсмических частот, по этой причине она используется преимущественно для осуществления контроля на локальных участках месторождения. Высокая разрешающая способность обработки данных измерений дает возможность выполнять глубокий анализ получаемой сейсмической информации и использовать наблюдательные станции этой системы контроля в автономном режиме.

При внедрении указанных систем автоматизированного контроля были решены вопросы конфигурации сети наблюдений, точной локации событий, от которых существенно зависит вся последующая интерпретация данных сейсмического мониторинга.

Выбор программных средств осуществлялся с учетом особенностей методов и средств контроля, динамики развития процесса разрушения, необходимости приема и обработки информации в режиме реального времени.

В качестве программных средств мониторинга использовались стандартные программные обеспечения применяемых систем контроля и разработанные

автором специальные программы для ПЭВМ, обеспечивающие автоматизацию исследований при решении прогнозных задач используемыми средствами мониторинга. Разработанный комплекс программ используется при обработке данных мониторинга и способствует автоматизации процесса сбора и обработки информации в режиме реального времени.

В работе также использованы программируемый интерактивный набор инструментов для сейсмологического анализа "SEIMOST" фирмы DMT и программное обеспечение "SEISPRED" Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, адаптированные автором к условиям Жезказганского месторождения.

С целью определения участков повышенной активности по возможному проявлению динамических явлений строятся также карты сейсмической активности. Периодичность построения карт устанавливается в зависимости от интенсивности и количества динамических явлений. Фактическим материалом служат каталоги реальных сейсмических событий различного энергетического класса, где указаны координаты, время и динамические параметры явлений техногенного характера. Для выявления связи сейсмической активности с горно-геологической и горнотехнической обстановкой карты сейсмической активности наносятся на планы горных работ. В настоящее время такие оперативные карты сейсмической активности являются отправным документом при выявлении опасных участков в пределах контролируемых шахтных полей.

Таким образом, рассмотрение параметров сейсмических колебаний и методов приборного контроля позволяет определить местоположение аномальных зон в пространстве и обеспечивает возможность слежения за их поведением во времени.

Оценка текущего состояния выработанных пространств осуществляется по информационным планам по плотности и по энергии событий, учитывающим пространственно-временное распределение сейсмической активности в фиксированном объеме массива горных пород. При этом уровень сейсмической энергии определяется их энергетическим классом.

Подготовка очагов возможных обрушений, наблюдаемая на информационных планах, полученных сейсмическим мониторингом, указывает на необходимость непрерывного контроля участков, подверженных сейсмическому процессу.

Региональный сейсмический контроль выполняется на рудниках Жезказганского месторождения с 1996 года и показал достаточно высокую эффективность. Развернутая сеть наблюдательных станций позволяет осуществлять контроль на всех участках размером 10,0x8.0 км шахтных полей подземных рудников.

Полученные результаты сейсмического мониторинга свидетельствуют о высокой эффективности автоматизированных систем для контроля процессов разрушения массива горных пород и открывают широкие возможности для

принятия своевременных горных мер по предотвращению или снижению негативных последствий от возможных обрушений.

Наряду с изучением сейсмичности процесса разрушения, представляют особый интерес вопросы сейсмики промышленных взрывов, решаемые с использованием автоматизированных систем сейсмического контроля.

Жезказганское рудное поле не входит в шестибалльную зону при землетрясениях, поэтому пря строительстве жилых домов и производственных помещений не предусматривались меры по снижению потерь от возможных сотрясений. Вместе с тем, производственная деятельность корпорации осуществляется открытыми и подземными работами с' разработкой горной массы буровзрывным способом, создающим в горном массиве интенсивные сейсмические колебания.

На Жезказганском месторождении, где взрывные работы выполняются в условиях высокой концентрации инженерных сооружений гражданского и промышленного назначений, сейсмическое воздейсгзие промышленных взрывов на них также становится актуальной задачей, требующей своего решения.

Управление сейсмическим воздействием промышленных взрывов на инженерные сооружения на Жезказганском месторождении выполняется в три стадии:

- на стадии проектирования обоснованием допустимой интенсивности колебаний, характеризующихся амплитудой скорости смещения и частотой генерируемых взрывом колебаний;

- на стадии паспортизации взрывных работ построением зоны предельных зарядов ВВ по условиям сохранности сооружений, расположенных на определенном удалении от места производства взрывов;

- на стадии корректировки паспортов взрывных работ осуществлением периодического сейсморайонирования месторождения на основе построения карт сейсмической активности с выделением областей повышенных фактических значений интенсивности сотрясений грунта от промышленных взрывов.

На последней стадии управления сейсмическим действием взрыва должна выполняться главная задача БВР - безопасное выполнение промышленных взрывов исходя из общего принципа охраны сооружений, определяемого соотношением:

V < Удоп, (12 )

где V - фактическая скорость смещения воздействующих на объект колебаний,

Удоп - допустимая нормативная величина скорости смещения.

Как показали многолетние данные приборного и визуального наблюдений 'за устойчивостью жилых домов и инженерных сооружений, при выполнении

этого условия промышленные взрывы обеспечивают безопасные условия их эксплуатации.

Определение фактического уровня сейсмических колебаний по скорости смещения V осуществляется региональной радиотелеметрической системой автоматизированного контроля сейсмических событий РРТС и системой контроля MosDas фирмы DMT. Эти системы контроля позволяют определить уровень сейсмических колебаний при непрерывной регистрации всех выполняемых на месторождении круглосуточно промышленных взрывов по сети наблюдательных сейсмических станций. Чувствительность систем контроля такова, что определяется уровень колебаний не только карьерных и шахтных взрывов, но и землетрясений, происходящих за тысячи километров.

Системы сейсмического контроля позволяют также оперативно определять сейсмический эффект каждого взрыва, осуществлять сейсморайонирование месторождения по степени опасности промышленных взрывов и, при необходимости, корректировать паспорта БВР.

На Жезказганском месторождении сейсморайонирование по степени опасности промышленных взрывов осуществляется ежемесячно, а контроль сейсмического действия - круглосуточно в непрерывном режиме, что дает возможность на основе оперативной оценки и прогноза, в стадии корректировки паспортов БВР принимать соответствующие меры охраны.

Таким образом, при производстве промышленных взрывов, сейсмический мониторинг горного массива обеспечивает надежную оценку их сейсмичности и является основной мерой охраны инженерных сооружений. Сейсмический мониторинг позволяет контролировать сейсмическое действие взрыва и регламентировать снижение фактического уровня сейсмических колебаний до допустимых значений, что в итоге обеспечит эффективность и безопасность взрывных работ.

Практические инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности и визуальные наблюдения в шахте указывают на существование прямой связи между увеличением параметров мульды сдвижения и состоянием пустоты, образованной очистными подземными работами.

Результатом действия сил горного давления являются их проявления -деформации и разрушения горных пород, видимые признаки которых в шахте наблюдаются визуальными обследованиями.

Визуальные наблюдения выполняются для контроля состояния выработанного пространства, преимущественно кровли и целиков. При этом наиболее информативными параметрами, используемыми при прогнозировании устойчивости выработанных пространств, являются степень и характер разрушения целиков, а по отношению к кровле - мощность разрушенных пород и площадь обрушения. Следовательно, методы визуальной оценки должны быть разработаны именно на основе этих признаков механического разрушения. При визуальной оценке также используются такие предвестники обрушения, как шум из массива, толчки, трески, стреляние пород и другие.

Основная задача визуальных наблюдений состоит в выявлении указанных доминирующих факторов и разработке на этой основе методов, позволяющих оценить устойчивость выработанных пространств. В результате такой постановки вопроса разработан метод оценки геомеханического состояния выработанного пространства (предпатент PK №8158), основанный на изучении процессов механического разрушения целиков в пространстве и во времени.

Таким образом, в разработанной методике оценки состояния выработанного пространства использованы аналитические, инструментальные, визуальные и приборные методы исследований. В результате этих комплексных исследований выявлена хорошая сходимость результатов данных различных видов мониторинга, что повысило достоверность оценки степени устойчивости участков.

В результате применения разработанной методики оценки с учетом всех информационных признаков Н/т, 7, т), Ес выполнена классификация ослабленных участков Жезказганского месторождения, отличающаяся от известных тем, что наряду с оценкой текущего их состояния, участки ранжируются по степени опасности к обрушениям и дается прогноз ожидаемых последствий.

Предсказание обрушений является крупной научно-технической проблемой, работы по прогнозу требуют широкого комплекса исследований по изучению их проявлений для определения места их возникновения, времени и ожидаемых последствий.

На рисунке 3 представлена разработанная впервые схема для наблюдений, оценки и прогноза обрушений во времени и в пространстве по комплексу признаков. Приведенные признаки комплексного мониторинга с высокой достоверностью отражают суть физических процессов, происходящих в подработанном горном массиве, позволяют диагностировать его и осуществить прогноз обрушений.

В решении прогнозных задач эти признаки используются в качестве предвестников обрушений как в отдельности, так и в совокупности по совпадению. Как видно, использование схемы позволяет определить место и время обрушения, используя совокупность информативных параметров и комплекс наблюдений по обеспечению прогноза от суток до десятилетий. Исследование особенностей проявления выявленных информативных признаков способствовало подведению количественной базы для суждения о процессах возникновения и развития обрушений и, в конечном итоге, предотвращению их катастрофических последствий.

Очевидно, что принятый для прогнозирования перечень критериев отнюдь не исключает использования в предложенной схеме иных критериев, появление которых возможно при дальнейшем развитии мониторинга.

При использовании представленной схемы для прогноза обрушений в пространстве и во времени, методология контроля средствами мониторинга Состоит в:

- изучении геометрических размеров выработанного пространства с целью

Схема для прогноза обрушений в пространстве и во времени по

признакам

2

5_

б

9_ 10 11

13

16

1 - суммарная мощность отработки; 2 - кратность подработки; 3 -[ерскрытия; 4 - оседания земной поверхности; 5 - скорость оседания; 6 - оседания по отдельным реперам; 7 - оседания по профильным [иниям; 8 - сейсмическая активность колебаний; 9 - зоны сейсмической :ктивности; 10 - график Беньоффа; 11 - график повторяемости; 12 - образ >чага разрушения; 13 — сейсмика карьерных взрывов; 14 - сейсмика иахтных взрывов; 15 - состояние кровли и целиков; 16 - геомеханический депорт оценки; 17 - горные работы.

Рисунок 3

прогноза его конечного состояния;

- выполнении геодезических измерений для выявления границ зон опасных сдвижений, образуемых в результате медленных деформаций;

- постановке визуальных наблюдений за степенью механического разрушения конструктивных элементов выработанного пространства;

- исследовании сейсмичности процессов разрушения, динамично происходящих в массиве горных пород, в том числе обусловленных промышленными взрывами.

Сопоставление результатов измерений в подземных условиях геомеханическими методами и на дневной поверхности геодезическими методами с данными сейсмических измерений указывает на непосредственную связь между их информационными параметрами.

Выявление этой связи обусловило необходимость применения, наряду с классическими методами, более эффективного и оперативного сейсмического мониторинга, получившего свое развитие в последние годы.

При этом следует отметить, что применение аналитических, инструментальных, визуальных методов ограничено областью исследований, определяемой установленными стадиями развития деформационных процессов.

В дальнейшем, с приближением к моменту реализации обрушения (1 -» для изучения процессов разрушения необходимо переходить от дискретных регламентированных наблюдений к непрерывным наблюдениям, что обеспечивается сейсмическим мониторингом.

При этом подходы по прогнозной оценке, основанные на сейсмическом анализе, должны получить свое дальнейшее развитие и могут быть усовершенствованы.

При доработке месторождения основным является извлечение из недр ранее оставленных запасов руд в разного рода целиках, поддерживающих подработанную налегающую толщу в состоянии относительной устойчивости на определенное время.

Это приводит к резкому ухудшению геомеханической ситуации и активизации процессов сдвижения, завершающихся обрушениями налегающей толщи горных пород в подземные выработки, и в определенных условиях к выходу обрушения на дневную поверхность. Поскольку на поверхности расположено множество инженерных коммуникаций, транспортных артерий и линий электропередач, то оседания создают иногда катастрофические ситуации. Следовательно, необходим инструмент контроля подготовки таких техногенных явлений с негативными последствиями. Этим инструментом является мониторинг сейсмических явлений, индуцированных процессами разрушения, происходящими в массиве горных пород, а также в конструктивных элементах применяемой системы разработки с камерами, допускающими использование самоходного оборудования. При этом геодезические методы на первом этапе позволяют выявить зоны, подверженные сдвижениям горных пород, т.е. долгосрочный прогноз, а применение метода сейсмического мониторинга на втором этапе дает возможность оценить время

до обрушения, т.е. краткосрочный прогноз на основе кинетически) представлений о процессе разрушения гетерогенных пород.

Сейсмический мониторинг, осуществляемый в непрерывном режиме, дае: возможность количественного и качественного определения исследуемы) критериев, обеспечивает логичный инструментарий по направлению усилий н; прогноз и предотвращение нестабильности подработанного массива горны) пород, результат которой выразится в обрушении.

В связи с этим, на стадии доработки месторождений в сложны; геомеханических условиях, необходимо вести добычу только пр! мониторинговом сопровождении. При этом целью сейсмического мониторинг; по ходу горной деятельности являются:

- определение места возникновения и развития потенциальных обрушений

- подтверждение проектных решений по отработке залежей;

- управление горными работами на определенных к отработке участках;

- предупреждение о приближающейся угрозе обрушения;

- совершенствование горной деятельности и обработки данныз мониторинга.

При сейсмическом мониторинге, для осуществления прогноза 1 совокупности с величиной энергии колебаний использовались также известньк в сейсмологии предвестники землетрясений, основанные на учете процесс; накоплений дефектов в массиве, такие как графики Беньоффа и повторяемое!! сейсмических событий.

График Беньоффа позволяет увязать с энергией сейсмического процесс; масштаб разрушения, а график повторяемости - количество событий.

На рисунке 4 приведены графики Беньоффа и повторяемости событий дш участка П-12 гор.260м залежи ПС-З-П шх.55 ЗЖР, обрушение которого былс спрогнозировано оперативно за двое суток.

Скачкообразный рост выделяемой энергии по графику Беньоффа I выпрямление графика повторяемости перед реализацией обрушения позволил! своевременно дать тревогу.

Прогнозный признак - изменение наклона графика повторяемости пере; обрушением, имеющий физическое и теоретическое обоснования, являете; одним из эффективных критериев обрушения и позволяет, наряду ( информативными признаками других средств мониторинга, осуществляв вероятностный прогноз возможных обрушений. При этом использовании графика Беньоффа дает возможность следить за скачкообразным нарастаниеь энергии в очаге разрушения, что позволяет судить о качественных изменения) процесса разрушения при подготовке обрушений.

Другим эффективным средством сейсмического мониторинга являете; разработанный в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН критерий, названный образом очаг; разрушения. В методике использования этого критерия в качестве параметров характеризующих пространственно-временные особенности разрушения выбираются средние значения временных А1 интервалов между хронологичеси последовательными событиями и их коэффициент вариации Уд,.

Графики Беньоффа и повторяемости событий, полученные перед обрушением П-12 гор.2б0и зал.ПС-3-II шх.55 ЗЖР

ш

É46729 îszoss лтш

452710 3SS037

згзгб5 25SSп 1МИ? 129345 (Я«73

} в 9 101112 ! 2 $ 4

Месяца

•83

M 18' . «о-| 50 - 40'

! 2 3« 5 6789 О Класс событий, К

»

Рисунок 4

Практическое выполнение метода заключается в выявлении и в птимизации трендов, в характерном изменении указанных параметров вкупе с ели'шной энергии колебаний Ес в исследуемом объеме массива горных пород.

Так как исходной шфоргацпей для работы этой методики является епрерывно пополняющаяся база данных применяемых систем втоматизированного контроля, данная методика успешно вписывается в азработанную методику оценки состояния выработанного пространства и спользуется как один из признаков прогноза обрушений.

На стадии доработки рудных месторождений при ведении горных работ бязателен прогноз возможных обрушений, дня чего устанавливается степень х потенциальной опасности и необходимость принятия соответствующих мер а отрабатываемом участке.

В этих условиях мониторинг помимо наблюдения, оценки и прогноза reneim опасности подработанного горного массива должен обеспечить олучение оперативной информации о месте, времени зарождения очагов, их азвцтии и интенсивности проявлений, обусловленной каждой стадией эрнотехнической ситуации. В связи с тем, что состояние подработанного ассива постоянно меняется в пространстве и во времени, необходимо рганизовать непрерывное мониторинговое сопровождение добычи полезных скопаемых.

В решении прогнозных задач в настоящее время открываются новые озможности использования результатов горной геомеханики на основе средств втоматизации и компьютеризации. Эти возможности позволили

автоматизировать процесс оценки и прогноза обрушений, что осуществлено е разработанной технологии мониторинга рудных месторождений как оперативная система сбора и обработки информации.

Такая информационная система, основанная на мониторинговом сопровождении добычи руд, позволяет на качественно новом уровне решать проблему прогноза обрушений при разработке рудных месторождений.

Организация технологии мониторинга выполнялась при одновременном решении актуального для нее вопроса, заключающегося в выборе методов и информативных параметров, позволяющих прогнозировать обрушение I натурных условиях.

Данная технология включает мониторинговое сопровождение добычи полезных ископаемых одновременно малых и больших объемов массив: горных пород в пространстве и во времени, технические и программные средства, комплекс характеризующих массив горных пород информативных признаков, систему сбора и обработки информации в режиме реального времени для предсказания, предупреждения и предотвращения опасны* техногенных катастроф.

Упрощенная схема разработанной технологии представлена на рисунке 5.

Технология мониторинга дает возможность объективно и надежне определить те параметры, которые обусловливают количественную I качественную сторону процесса обрушения с обеспечением безопасных условий ведения горных работ и сохранности сооружений.

В разработанной технологии важное значение имеют также вопрось оконтуривания пространственных объемов месторождения по выявленньш критериям с точки зрения стабильности или нестабильности. Промежуто} времени, в течение которого выполняется оконтуривание, зависит от природь: поведения массива горных пород и масштаба анализа. Исходя из практикт прогноза это время в среднем для данных сдвижения составляет год, дл* данных приборного контроля - месяц. Это позволило получить ряд важнейшю прогнозных карт месторождения, которые при наложении их на планы горны> работ дают выход исследованиям для использования данных мониторинга I практике горного дела с целью предсказания, предупреждения т предотвращения обрушений.

В данной технологии мониторинга информационная система полностьк автоматизирована с получением на выходе результатов текущей классификацш всех участков месторождения по степени устойчивости. Информационна} система мгновенно реагирует на аномальные отклонения величш рассматриваемых информативных признаков комплексного мониторинга г устанавливает для всех участков месторождения следующие категорш устойчивости: участки интенсивных сдвижений, неустойчивые, ослабленные * устойчивые участки.

Упрощенная схема технологии мониторинга

1 к

Рисунок 5

Разработанная технология мониторинга подработанного массива горны: пород, имеющая информационную систему реального времени, позволяв-оперативно оценить текущее геомеханическое состояние одновременно все: участков месторождения, ранжируя их по степени нестабильности ] заблаговременно прогнозировать возможные обрушения.

Таким образом, выполненными экспериментальными исследованиям! показано, что в разработанной технологии мониторинга система сбора 1 обработки данных измерений в натурных условиях параметров механической разрушения, сдвижения, сейсмических колебаний и управление ими в процесс ведения горных работ позволяют решать проблемы предсказания предупреждения и предотвращения обрушений. Мероприятия же направленные на предотвращение, следует начинать с выделенны: мониторингом опасных по обрушениям зон и участков.

В данной технологии мониторинга выполнен необходимый этап полно: автоматизации процессов получения информации о состоянии массива задачах геомеханики с использованием ПЭВМ, графопостроителя и систе! автоматизированного контроля сейсмических событий.

В технологии обеспечение долгосрочного и краткосрочного прогноз обрушений позволяет заранее выявить опасные по обрушениям участки принять меры по предотвращению возможных техногенных катастроф. Пр этом, в результате комплексного применения различных методов исследована существенно повышается достоверность и надежность результате мониторинга массива горных пород.

Предложенные методы прогноза, при условии оперативного определен« критериев, могут обеспечить достаточно высокий уровень прогнозироваии обрушений в условиях рудных месторождений. Об этом свидетельствуе достаточно удовлетворительная сходимость данных мониторинга технологическими ситуациями в натурных условиях- Жезказганског месторождения.

Мониторинговое сопровождение добычи полезных ископаемых позволяе своевременно реагировать на изменение геомеханической ситуации на участка всего шахтного полз месторождения, без чего нельзя работать в сложны горнотехнических условиях дорабогки месторождений, так как исключительна сложность и многообразие влияния различных факторов не в полной мер учитываются при расчетах в связи с тем, что поведение массива постоями меняется в пространстве и во времени.

Дальнейшее развитие мониторинга видится в развитие сети наблюдени существующих систем контроля, использовании средств мониторинга дл изучения процессов внутри налегающей толщи, повышении оперативное! инструментальных наблюдений сдвижения земной поверхности.

Основные технические решения, используемые при осуществлени мониторинга массива горных пород на стадии доработки рудны месторождений, защищены 6 патентами, рекомендуются для внедрения и других рудных месторождениях.

За период внедрения технологии мониторинга, несмотря на усложняющиеся геомеханические условия, все обрушения были заблаговременно спрогнозированы и в плановом порядке погашены, за счет обеспечения еомониторингового сопровождения добычи существенно повышено извлечение запасов руд.

В перспективе, при дальнейшем развитии мониторинга массива горных лород возможна успешная ликвидация имеющихся объемов потенциально эпасных пустот обрушением. Первым шагом использования разработанной технологии мониторинга в этом направлении является технико-экономическое эбоснование повторной разработки, где предусмотрены- выбор участков ¡ювторной разработки и порядок первоочередного погашения ослабленных участков месторождения с использованием данных мониторинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании изучения современными гредствами мониторинга процессов деформирования и разрушения горных пород и массивов под воздействием горного давления изложена научно обоснованная технология мониторинга, внедрение которой внесет значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса общества.

Основные выводы и практические рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Выявлены причины, условия, размеры и место образования воронок на дневной поверхности, а также информативные признаки и характерные стадии развития обрушения.

2. Разработаны новые способы определения опасных по обрушениям зон месторождения, позволяющие осуществить диагностику подработанного горными работами массива и долгосрочный прогноз обрушений. Именно на этих местах возможных обрушений необходимо организовать наблюдение, оценку и прогноз текущего состояния выработанного пространства средствами мониторинга.

3. Осуществлен выбор аппаратурных и программных средств мониторинга для выявления сейсмически активных зон месторождения с определением координат гипоцентров и энергетического класса событий.

4. Составлена впервые схема для прогноза обрушений в пространстве и во времени, основанная на определении состояния массива горных пород по комплексу информативных признаков мониторинга.

5. Разработана методика оценки текущего состояния выработанного пространства, обеспечивающая заблаговременный прогноз обрушений.

6. Разработана впервые технология мониторинга массива горных лород на стадии доработки месторождений для предсказания, предупреждения и предотвращения техногенных катастроф.

7. Осуществлена оперативная процедура прогнозирования обрушений, основанная на градации величин аномальных отклонений информативных

признаков мониторинга в режиме реального времени и выполнен; классификация участков месторождения по степени устойчивости.

8. Получен ряд важнейших прогнозных карт, которые дают выхо; выполненным исследованиям для решения текущих задач горноп производства.

9. Применение сейсмического мониторинга регламентирует фактически! уровень сейсмических колебаний при производстве промышленных взрывов обеспечивая сохранность поверхностных сооружений от сотрясений.

10. Использование технологии мониторинга способствует расширеник сырьевой базы горнорудных предприятий, повышению эффективности извлечения полезных ископаемых из недр и обеспечению безопасности веденш горных работ на стадии доработки рудных месторождений.

11. Результаты исследований успешно использованы в нормативных документах и в повседневной практике ведения горных работ для прогнозирования обрушений и предотвращения их негативных последствий.

Разработанные методы оценки и прогноза обрушений используются в АО «Жезказганцветмет» корпорации «Казахмыс» с огромным социальным эффектом, фактический экономический эффект от внедрения технических решений составил 280.8 тыс.$ США.

Основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах:

1. Жаркенов М.И., Вахрушев В.В., Сапаков Е.А., Сатов М.Ж., Урумов Т.Т. Повторная разработка Жезказганского месторождения // Цветная металлургия.-1988.-№10.-С.10-П.

2. Сатов М.Ж. Оценка сейсмического действия взрыва с помощью спектрального анализа // Процессы разрушения горных пород при взрывных, термических и механических способах нагружекия / Межвузовский сборник научных трудов.-Алматы, Каз ПТИ.-1988.-С.29-34.

3. Ермеков Т.М., Сатов М.Ж. Управление сейсмическим действием взрыва // Вестник АН Каз.ССР.-1990.-№6.-С.55-58.

4. Сатов М.Ж. Использование кумуляции в зарядах промышленных ВВ // Технология и технические средства направленного разрушения горных пород / Межвузовский сборник научных трудов,-Алматы; Каз ПТИ, 3990.-С.31-34.

5. Ермеков Т.М., Жаркенов М.И., Сатов М.Ж. Влияние карьерных взрывов на охраняемые сооружения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.-1991.-Л«4.-С.55-62.

6. Жаркенов М.И., Сатов М.Ж. Повышение сейсмобезопасности взрывных работ на карьерах Жезказгана/У Горный журнал.-1991.-№8.-С.36-38.

7. Сатов М.Ж., Косыбаев М.К. Прогноз сейсмического действия взрыва // Научное наследие академика О.А.Байконурова и проблемы развития горнодобывающей промышленности / Тезисы докладов на научно-технической конференции.-Жезказган, 1992.-С.24-26.

8. Жаркенов М.И., Сатов М.Ж., Косыбаев М.К. Прогноз отрицательных воздействий карьерных взрывов// Горный журнал.-1993.-№11.-С.59-61.

9. Патент PK № 681. Способ погашения пустот // Вахрушев В.В., Жаркенов М.И., Сатов М.Ж., Урумов Т.Т., Атанаев Ж.Н. Опубл. 15.03.94.

10. Юн Р.Б., Макаров А.Б., Ким B.C., Герасименко В.И., Сатов М.Ж., Малышев В.Н., Зайцев О.Н., Мамахов С.К. Характер обрушения налегающей толщи при повторной разработке Жезказганского месторождения // Горный журнал.-1996.-№11-12.-С.60-67.

11. Сатов М.Ж. Разработка, исследование и введение в эксплуатацию комплекса сейсмической аппаратуры для регионального'-контроля состояния массива горных пород // Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского решена / Сборник научных трудов.-Жезказган, 1997.-С.176-178.

12. Сатов М.Ж. Оценка состояния массива горных пород и прогноз возможных обрушений на основе совместного анализа данных приборного, инструментального и визуального наблюдений // Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского региона / Сборник научных трудов.-Жезказган, 1997.-С. 178-182.

13. Мансуров В.А., Юн Р.Б., Сатов М.Ж. Локальная сеть микросейсмического контроля обрушений на стадии доработки жезказганских рудников // Труды Международной конференции "Горная геофизика".-Санкт-Петербург, ВНИМИ, 22-25 июня, 1998.-С.156-159.

14. Сатов М.Ж. Прогнозирование состояния выработанного пространства по данным автоматизированных систем контроля У/ в кн. Академик К.И.Сатпаев и его вклад в развитие и становление инженерного дела в Казахстане / Материалы научно-технической конференции, посвященной 100-летию академика К.И.Сатпаева.-Жезказган, 1999.-С.219-222.

15. Сатов М.Ж., Алипбергенов М.К. Прогнозирование состояния выработанного пространства по данным инструментальных наблюдений // в кн. Академик К.И.Сатпаев и его вклад в развитие и становление инженерного дела в Казахстане / Материалы научно-технической конференции, посвященной 100-тетию академика К.И.Сатпаева.-Жезказган, 1999.-С.584-588.

16. Сатов М.Ж. Оценка состояния массива горных пород и прогноз зозможных обрушений // Горный журнал.-1999.-№3.-С.12-14.

17. Сатов М.Ж. Сейсморайонирование месторождения по данным триборного контроля //Горный журнал.-1999.-№3.-С.14-16.

18. Квитко С.Я., Райзман В.И., Эренбург М.С., СатовМ.Ж. Аппаратура для изучения и контроля техногенной сейсмичности // Горный журнал,-1999.-№3.-:.41-42.

19. Сатов М.Ж. Мониторинг горного массива по данным сдвижения чэрныхпород//'Горный журнал.-1999.-№3.-С.44-47.

20. Ермеков Т.М., Сатов М.Ж. Перспективы развития мониторинга массива город при повторной разработке Жезказганского месторождения // Материалы

научно-практической конференции "Геотехнология на рубеже XXI века" Новосибирск, 13-14 мая 1999.-С.112-113.

21. Сатов М.Ж., Алипбергенов М.К. Инструментальный мониторш горного массива // Материалы научно-практической конференци "Геотехнология на рубеже XXI века".-Новосибирск, 13-14 мая 1999.-С. 116-118

22. Макаров А.Б., Сатов М.Ж., Юн А.Б. Условия образования провалов ь земной поверхности при повторной разработке Жезказганского месторожденя с обрушением II Труды Международной конференции "Геодинамика напряженное состояние земных недр".- Новосибирск,4-7 октября, 1999

23. Сатов М.Ж. Влияние геометрических размеров выработанны пространств на возможность образования воронок на земной поверхности Труды Международной конференции "Геодинамика и напряженное состоянл земных недр".- Новосибирск^-7 октября, 1999

24. Предпатент РК № 6891. Способ определения границ зон опасны сдвижений месторождения // Сатов М.Ж., Алипбергенов М.К. Опубл. 15.01.99.

25. Предпатент РК №8158. Способ оценки геомеханического состояни выработанного пространства // Сатов М.Ж., Дакибаева С.М., Нестерова Г Л Опубл. 15.11.99.

26. Предпатент РК №8322. Способ определения сдвижения земно поверхности над выработанным пространством // Сатов М.Ж., Сорокин А.А Киндрачук Ф.Т., Михалютина Н.В. Опубл. 15.12.99.

27. Предпатент РК №8159. Способ определения зон на земно поверхности, потенциально опасных по обрушениям при разработке рудны месторождений // Сатов М.Ж. Опубл. 15.11.99.

28. Решение о выдаче патента РФ по заявке №99109642/03(010216) о 28.01.2000. Способ определения зон на земной поверхности, потенциальн опасных по обрушениям при подземной разработке рудных месторождений , Сатов М.Ж.

29. Решение о выдаче патента РФ по заявке №99109641/03(010213) о 01.03.2000. Способ определения границ зон опасных сдвижений месторождени // Сатов М.Ж., Алипбергенов М.К.

Сатов Мухамбет Жушсбайулы Кен шыгаратын жерлерд1 кдзуды аяк,тау сатысында турган тау-кен жыныстары сиемдершц мониторинг!.

05.15.11 — «Тау-кен евдргандеп физикалык, процестер» мамандыгы бойынша техникалык, гылымдар докторы гылыми дэрежесш алу диссертациясы.

Диссертацияда тау-кен жумыстарын K,ayinc¡3 журпзугц жзне жер ycTiHAeri нысандардыц сак,талуын к,амтамасыз ету уинн мониторинг технологиясы эз1рлешмшде бар ¡pi жэне практикалык, проблемалардыц uieiuÍMÍ бермген, муныц 63Í гылыми багыттардыц дамуьжа — опырылып ^улау сияк,ты техногендк апаттарды Kyiii бурын айтуга ескертуге жэне алдын алуга едэуф улес к,осады.

Жумыста геофизикалык, ортаньщ бузылуы туралы жаца физикалык, тусшктер HerÍ3¡H^e техногендк зрекеттердщ нэтижесшде жер устшде шуцк,ырлардьщ пайда болу себептер1, шарттары, орны жэне уа^ыты анык,талган.

Мониторинг^ эр TypAi эдкгер1мен болжамдык; белплер кешеншщ езгерютерше кец!спкте жэне уак,ытпен узджс1з бак,ылау мумкш болатын опырылып к,улауды байк,ауга багалауга жэне болжауга mymkíhaík тугызады.

Зерттеу нэтижелерш пайдалану тау-кен кэапорындарыньщ шимзат базаларын кецейтуде жэне жер к,ойнауынан пайдалы к,азоаларды алудыц pyincÍ3AÍrÍH кдмтамасыз ететш кен шыгаратын орындарды кдзуды аяк,таудьщ стратегиясын тацдауга mymkíhaík беред1.

Satov Mukhambet Zhunisbaevitch

Monitoring of rock mass at the finishing stage of ore deposits

Thesis on competition of a scientific degree of doctor of engineering scientist on specialty 05.15.11 - «The physical processes of mining»

In the thesis the solution of a large and practical problem encompassing by mining of know — how of monitoring for good safety of management of mining operations and objects safety on the surface is given. That introduces significant contribution to development of a scientific direction - prediction, warning and preventing of such catastrophe as caving.

On the basic of modem physical representations about fracture of geophysical environment the reasons, circumstances, location and time of formation of craters on the surface caused by human activity are detected.

The persistent observation in space and time of the change of prognostic features by different means of monitoring makes possible to execute supervision, estimation and forecast of probable caving.

Usage the results of exploration promotes selection of the strategy for ore deposits finishing that ensures the extension of raw material base for ore mining works and safety extraction of mineral resources from entrails.