автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка и обоснование комплексной системы прогноза горных ударов

В диссертации, представленной в виде научного доклада, кратко изложены опубликованные в 1982 - 1998 г.г. работы автора по результатам выполненных им научных исследований.

Актуальность темы. Железорудные месторождения Горной Шо-рии разрабатываются на больших глубинах в условиях высоких природных напряжений и тектонической нарушенное™ массива, которые реализуются в форме толчков, стреляний, микроударов и собственно горных ударов. Проявления горного давления в динамической форме существенно снижают безопасность и затрудняют ведение подготовительных и очистных работ.

Особенно сложная геомеханическая обстановка наблюдается при отработке Таштагольского железорудного месторождения, на котором зарегистрировано свыше 4300 динамических явлений с энергией проявления от первых десятков до 109 Дж.

Многообразие динамических форм проявления горного давления, а также разнообразие факторов, их вызывающих, привело к невозможности отработки Таштагольского месторождения без контроля за напряжённо-деформированным состоянием (НДС) горного массива, создания комплексной системы прогноза горных ударов. В этой связи, рассматриваемая в диссертационной работе задача прогноза горных ударов для Таштагольского месторождения актуальна как с научной, так и с практической точек зрения.

Научные исследования выполнены в рамках плановых тем ГКНТ СССР и АН СССР «Создание интенсивных методов подземной разработки рудных месторождений на больших глубинах» (1987 -1990 гг.); «Создать и внедрить эффективную и безопасную технологию ведения горных работ, системы автоматизированного прогноза уда-роопасности при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений и строительстве подземных сооружений» (1986 - 1990 г.г.), утверждённой постановлением ГКНТ СССР от 29.10.85, № 552.

Диссертация является частью завершённых научно-исследовательских работ по темам: «Исследование механизма, усовершенствование методов прогноза и комплекса мер борьбы с горными ударами на глубоких рудниках Горной Шории» (1980, № ГР 0221220000); «Уточнение механизма проявления горного давления в динамической форме, разработка и испытание способов предупреждения возможных горных ударов» (1990, № ГР 81081329); «Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статических и динамических напряжениях." Исследование электромагнитного излучения при разрушении горных пород» (1993, № ГР 0185005675). В указанных работах автор был ответственным исполнителем и исполнителем, непосредственно участвовал в промышленных и лабораторных исследованиях, во внедрении результатов на Таштагольском руднике.

Цель работы состоит в разработке и обосновании комплексной системы прогноза горных ударов при отработке мощных крутопадающих рудных тел, обеспечивающей безопасную и эффективную отработку Таштагольского месторождения.

Идея работы заключается в использовании экспериментально установленных закономерностей изменения геофизических показателей в зависимости от геомеханического состояния массива горных пород для обоснования способов регионального и локального прогноза горных ударов и их параметров.

Задачи исследований:

- установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на частоту и энергию динамических проявлений на месторождении;

- изучить параметры НДС массива вне и в зоне влияния очистных работ;

- исследовать механизм возникновения горных ударов горнотектонического типа при разработке мощных крутопадающих рудных тел;

- обосновать и разработать комплекс геофизических методов исследования напряжённо-деформированного состояния массива, критерии оценки и способы регионального и локального прогноза горных ударов;

- разработать многофакторную систему контроля за напряженным состоянием. массива горных пород для заблаговременного устранения условий возникновения горных ударов при отработке глубоких горизонтов месторождения.

Методы исследований включают научные обобщения и анализ производственного опыта; комплекс геомеханических и геофизических шахтных и лабораторных исследований с обобщением результатов методами математической статистики и корреляционного анализа с использованием ЭВМ; опытно-промышленные испытания способов прогноза и оценки удароопасности массива горных пород.

Основные научные положения, защищаемые автором:

- горные удары горно-тектонического типа представляют собой явления скола и смещения частей массива по контактам блоков или геологических разностей пород, сопровождаемые сейсмическим сотрясением массива и повреждением горных выработок;

- категория удароопасности участков массива оценивается по величине наблюдаемой сейсмической активности и сопоставлении ее с критическими значениями, которые коррелируют с проявлениями горных ударов и характеризуют степень уда-роопасности массива с доверительной вероятностью;

- изменение геомеханического состояния массива горных пород сопровождается вариациями электромагнитного излучения, амплитуда и частота которых позволяет осуществлять региональный и локальный прогноз горных ударов.

Достоверность научных положений подтверждается:

- использованием при проведении натурных и лабораторных исследований современных, широко апробированных методов и аппаратуры;

- многочисленными (свыше 20000 замеров) и длительными (свыше 20 лет) комплексными исследованиями НДС массива и геомеханического состояния массива горных пород при отработке мощных крутопадающих рудных тел;

- сопоставимостью данных, полученных различными инструментальными и расчётными методами, с поведением массива в натурных условиях;

- положительными результатами внедрения способов прогноза горных ударов при отработке удароопасных месторождений Горной Шории.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении механизма возникновения горных ударов горно-тектонического типа при разработке мощных крутопадающих рудных тел;

- установлении закономерностей распределения параметров электромагнитного излучения в массиве горных пород, определении их вариации под действием процессов выемки полезного ископаемого и других технологических процессов, а также установлении степени влияния минерального состава и структурно-текстурных особенностей участков шахтного поля;

- установлении закономерностей изменения сейсмической активности участков массива, выявлении критических значений ее параметров и разработке методических рекомендаций по прогнозу динамических явлений;

- выявлении закономерностей воздействия технологических и массовых взрывов на степень удароопасности массива и разработке методических рекомендаций по прогнозу динамических явлений и нарушений горных выработок после их производства.

Практическая ценность работы заключается в разработке методик локальной и региональной оценки удароопасности массива, получении критериев оценки удароопасности участков массива, обосновании структуры, разработке и внедрении многофакторной системы контроля напряженного состояния массива горных пород при отработке глубоких горизонтов Таштагольского месторождения, позволяющих прогнозировать динамические проявления по месту, времени, энергетическому классу, обеспечивающие своевременное устранение условий возникновения горных ударов и повышение безопасности горных работ.

Личный вклад автора состоит в:

- проведении и обобщении результатов исследований ударо-опасности Таштагольского месторождения;

- уточнении причин возникновения и природы горных ударов горно-тектонического типа на месторождении;

- установлении параметров НДС массива вне и в зоне влияния очистных работ на месторождении;

- обосновании комплекса региональных и локальных методов прогноза горных ударов и его внедрении;

- обосновании структуры, создании и внедрении многофакторной системы контроля напряжённого состояния массива горных пород.

Реализация работы.

Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении шести нормативно-методических документов («Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам», ВостНИГРИ, 1991г.; «Методические указания по региональному прогнозу горных ударов электрометрическим методом», ВостНИГРИ, 1989 г.; «Методика оценки степени удароопасности массива по фотонной эмиссии горных пород», КузПИ, 1989 г.; «Методические положения по прогнозу динамических явлений при производстве массовых взрывов», ИГД СО РАН, 1993 г.; «Руководство по выбору оптимального режима производства массовых взрывов в удароопасных условиях Таштагольского месторождения», Таштагол, 1995 г., "Методические рекомендации по предупреждению ударов горно-тектонического типа на железорудных месторождениях Сибири", ВостНИГРИ, 1997 г.).

Отдельные положения исследования автора нашли применение в геомеханическом обосновании отработки глубоких горизонтов рудников Горной Шории.

Разработанные методы прогноза и оценки степени удароопасности горного массива используются при чтении курсов "Геомеханика", "Управление состоянием массива горных пород", "Процессы подземных горных работ" студентам горного факультета Кузбасского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и получили одобрение: на экспертных Советах Минчермета СССР (Таштагол

1984-1989 гг.): на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984 г.) и проблемам разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья (Бишкек, 1991 г.); на Всесоюзной конференций «Совершенствование технологии горного производства доя снижения негативного воздействия на окружающую среду» (Кривой Рог, 1991 г.); на Всероссийской конференции по управлению НДС массива (Новосибирск-Екатеринбург, 1994 г.); на международном симпозиуме по проблемам безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых (Москва-Пермь, 1995 г.); на международной конференции по геомеханике (Екатеринбург, 1996 г.); на международном симпозиуме "Горные науки на рубеже XXI века" (Москва-Пермь, 1997 г.); Всероссийском совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, 1997 г.); на заседаниях комиссий по горным ударам АООТ «Сибруда» (Новокузнецк, 1979-1997 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 27 печатных работах, включая одно авторское свидетельство на изобретение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большая роль в изучении горных ударов, разработке методов их прогноза и предотвращении принадлежит коллективам ведущих научных и учебных институтов: ВНИМИ, СФ ВНИМИ, ИГД СО РАН, МГГУ, ВостНИГРИ, КузГТУ, Унипромедь, ИПКОН РАН, ГоИ КНЦ РАН и др.

Значительный вклад в решение проблемы горных ударов внесли учёные стран СНГ: С.Г. Авершин, И.Т. Айтматов, С.А. Батугин, И.М. Батугина, Ю.И. Болотин, Я.И. Бич, В.И. Борщ-Компониец, Д.Н. Бронников, Б.Ш. Винокур, Н.П. Влох, В.В. Дырдин, В.Б. Дьяковский,

A.B. Зубков, П.В. Егоров, A.A. Ерёменко, В.В. Иванов, М.В. Курленя,

B.А. Квочин, Ю.А. Кашников, К.Ч. Кожогулов, Г.И. Кулаков, C.B. Кузнецов, A.A. Козырев, A.M. Линьков, Г.А. Марков, В.И. Мурашев, A.B. Мозолев, В.Н. Опарин, И.М. Петухов, В.М. Проскуряков, А.А.Ренев, А.Д. Сашурин, В.А. Смирнов, А.Н. Ставрогин, И.А. Турчанинов, A.A. Филинков, Е.П. Чистяков, А.Т. Шаманская. Е.И.Шемякин, Б.В. Шрепп, B.C. Ямщиков и др., а также зарубежные исследователи: А. Пельнарж, Р. Квапил, Д. Тейлор, И. Кук, Р. Штраубе, С. Крауч и др.

Однако значительное разнообразие горно-геологических и горнотехнических условий проявления горных ударов при отработке рудных месторождений не позволяют осуществлять автоматический перенос рекомендаций по прогнозу и предотвращению горных ударов с одного месторождения на другое.

В связи с недостаточной изученностью параметров и предельных значений НДС массива горных пород основным принципом оценки и прогноза удароопасности массива является комплексное изучение его геомеханического состояния с использованием главным образом геофизических методов исследования, в том числе с организацией непрерывных автоматических наблюдений.

Как показывает практика, недостаточно решён вопрос „выбора базовых локальных и региональных мер прогноза горных ударов на конкретном месторождении.

Проведённый анализ состояния вопроса прогноза горных ударов на рудных месторождениях и особенно на Таштагольском руднике, позволил сформулировать указанные выше цель и задачи исследований. Поставленные задачи решались на основе анализа результатов длительных шахтных и лабораторных исследований, выполненных на удароопасных горизонтах Таштагольского рудника.

1. ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ТАШТАГОЛЬСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

1,4,6,9-12,15,17,19,24,27]

Таштагольское месторождение магнетитовых железных руд входит в состав месторождений Горной Шории, расположенных в Алтае-Саянской складчатой зоне. Все рудные участки Таштагольского рудного поля залегают на крыльях антиклинарной структуры согласно с вмещающими породами и приурочены к контакту альби-тизированной сиенитовой интрузии с толщей вулканогенно-осадочных пород. Месторождение представлено преимущественно рудными телами крутого падения (70-90°), мощностью от 2 до 100 м, длиной по простиранию отдельных рудных тел до 500 м. Из пяти участков месторождения в настоящее время отрабатывается только один - Восточный, рудные тела которого прослеживаются на глубину до 1500 м без признаков выклинивания.

Для Таштагольского месторождения характерно наличие высоких горизонтальных сжимающих напряжений в нетронутом массиве и практически изотропных, весьма прочных высокомодульных руды и пород. При лабораторных испытаниях горные породы ведут себя упруго вплоть до разрушения. Лабораторными исследованиями установлена потенциальная удароопасность магнетитовой руды, сиенитов, диоритов и туфосланцев. Удароопасные породы обладают высоким модулем упругости (от 0,6*105 до 1*105 МПа), коэффициентом Пуассона от 0,18 до 0,32 и пределом прочности на одноосное сжатие от 90 до 275 МПа.

Наличие значительных по величине горизонтальных напряжений в нетронутом массиве объясняется действием современных тектонических процессов в регионе. По данным Ал '

ВНИМИ и ВостНИГРИ вне зоны влияния очистных мальное главное напряжение направлено по азимуту простиранию месторождения) и наклонено к горизонту под углом 2030°. При этом соотношение значений главных напряжений составляет 01:02:03 = 2,5:1,3:1. Величины главных напряжений линейно увеличиваются с глубиной на 4,0 МПа на каждые 100 м глубины. В зоне влияния очистных работ происходит измёнение направления главных максимальных напряжений (А=30-50°) и их абсолютные величины составляют: 01 = ЗуН; а2=5уН; аз=уН. Напряженное состояние массива характеризуется гравитационным и тектоническим полями напряжений. Неравномерность тектонического поля напряжений вызывает большие касательные напряжения в различных плоскостях, наличие которых вызывает сдвиговые перемещения, подвижки по разломам и крупным тектоническим трещинам. Установлено изменение уровня касательных напряжений с глубиной вне и в зоне влияния очистных работ на Таштагольском руднике (табл.1).

Таблица 1.

Касательные напряжения, МПа

Горизонт, Вне зоны влияния очист- В зоне влияния очистглубина, м ных работ ных работ

Т]-2 Т1-3 Т2-3 Т1-2 Т1-3 Т2

Гор. -140 м, Н=680 м -11.0 -18.4 -7.4 -13.8 -36.8 -23.

Гор.-210 м, Н=750 м -12.2 -20.3 -8.1 -15.2 -40.6 -25.

Гор. -280 м, Н=820 м -13.3 -22.1 -8.8 -16.6 -44.2 ' -27.

Гор. -350 м, Н=890 м -14.4 -24.0 -9.6 -18.0 -48.0 -30.

Гор. -420 м, Н=960 м -15.5 -25.9 -10.4 -19.4 -51.8 -32.

Гор. -490 м, Н=1030 м -16.7 -27.8 -11.1 -20.9 -55.6 -34.

Гор. -560 м, Н=П00м -17.8 -29.7 -11.9 -22.3 -59.4 -37.

Гор. -630 м, Н=1170 м -19.0 -31.6 -12.6 -23.7 -63.2 -39.

Наличие неравнокомпонентного поля напряжений и горных пород, склонных к хрупкому разрушению, обусловливают возникновение горных ударов при повышенных концентрациях напряжений вокруг выработок. Значение коэффициента концентрации напряжений у выработки, расположенной вне зоны влияния очистных работ достигает трех, а в зоне влияния - шести.

Исследованиями, проведенными совместно с сотрудниками и учеными ВНИМИ, КузГТУ и МГГУ, выявлены характерные черты блочного строения месторождения.

При отработке верхних горизонтов Восточного участка было выявлено тектоническое нарушение взбросо-сдвигового характера с амплитудой порядка 100 м, по диагонали пересекающее шахтное поле, которое в дальнейшем получило название «диагональный разлом». С развитием горных работ и отработкой блоков северного и южного флангов шахтного поля появились геологические и горнодинамические предпосылки, подтверждающие наличие серии крутопадающих разрывных нарушений на запад и восток от «диагонального разлома».

Комплекс исследований, в состав которых вошли работы по анализу имеющегося геологического материала, дополнительное геологическое картирование, анализ динамических явлений, геофизические исследования различными методами, позволил составить структурно-тектоническую карту шахтного поля с выделением блоков различной иерархии, динамически и сейсмически активных зон, уточнить трассировку тектонических зон на юго-восток и северо-запад от "диагонального разлома".

Установлено, что рудные тела секутся этими нарушениями под углом 20-30°, падение нарушений - западное, угол - от 75° до 90°, простирание - северо-западное, мощность - от 0,5 до 3 м. Зоны представлены сильно выветрелыми, дроблёными перемятыми породами с гидроокислами железа и марганца, и расположены друг от друга на расстоянии кратном 70 м (70,140, 280, 560 м).

Начиная с глубины 450 м, была выявлена система пологих тектонических нарушений.

Просгарание пологопадающих зон - субмеридиональное, падение - северо-западное, угол падения - от 5 до 30°, мощность - от 0,5 до 3 м. Пологопадающие зоны пресекают рудные тела практически под прямым углом и хорошо прослеживаются в этажах -210:-140 м, -280:210 м, -350:-280 м.

Наиболее удароопасными в системе крутопадающих зон являются висячие крылья зон, а также западные контакты рудных тел. Ведение горных работ в районе пересечения пологопадающих и крутопадающих зон также сопровождается динамическими явлениями высокого энергетического уровня.

Специально выполненные исследования в районах разрывных нарушений показали, что у разрывных нарушений существует область повышенных напряжений, в которой значения напряжений в 2-3 раза выше, чем вне зоны разрывов. Максимальное значение коэффициента концентрации напряжений получено на расстоянии 6-7 м от плоскости нарушения. Размер зоны повышенного напряжения достигает 20 м в обе стороны от нарушения и прямо пропорционален амплитуде и мощности нарушения. ^

Результаты исследований по составлению структурно-тектонической карты шахтного поля позволяют своевременно выделять потенциально опасные участки и проводить мероприятия по снижению удароопасности массива горных пород.

За период с 1959 г. на Таштагольском месторождении имело место более 4300 динамических проявлений горного давления, включая собственно горные удары, толчки и стреляния. С глубины 520 м от поверхности (горизонт -70 м) месторождение отнесено к склонным к горным ударам. Особенностями проявлений явилось: возникновение мощных горных ударов без предварительных признаков удароопасности и преобладание толчков среди всех видов динамических проявлений.

Общее повышение сейсмичности района Таштагольского месторождения, связанное с происшедшим в 1988 г. землетрясением, явилось дополнительным фактором, осложняющим динамическую обстановку на месторождении.

Анализ динамической обстановки на месторождении позволил установить влияние основных горнотехнических и горногеологических факторов на частоту и энергию динамических проявлений.

Установлено, что изменение динамической обстановки на месторождении определяется главным образом горными работами и мало зависит от таких временных периодов как год, квартал или сезон года. Наиболее сильное влияние оказывают взрывные работы. За период 1987-1993 г.г. 62 % от числа всех динамических проявлений связано с проведением специальных и технологических массовых взрывов, и 2 % - с проведением взрывов в проходческих забоях.

Вероятность возникновения динамических проявлений с энергией 10? -108 Дж, вызывающих наиболее разрушительные последствия, выше в породном массиве.

Специальный массовый взрыв вызывает в среднем в 6,4 раза больше динамических проявлений с энергией в 4,5 раза выше, чем технологический взрыв и влияет на динамическую обстановку в течение 5-6 дней после его производства.

Кроме геологических и технологических факторов на динамическое состояние массива оказывает влияние астрономический фактор -фазы Луны, солнечные и лунные затмения. Так, например, все крупные горные удары произошли в периоды лунных или солнечных затмений.

Так, например, 20.01.81 г. произошло полное лунное затмение, а

15.01.81 г. - микроудар; 15.12.82 г. - кольцеобразное солнечное затмение, а 12.12.82 г. - горный удар; 30.12.82 г. - полное лунное затмение, а

25.12.82 г. - горный удар; 23.11.84 г. - полное солнечное затмение, а 27.11.84 г. - горный удар. Наибольшее число горных ударов (4) и микроударов (1) произошло в 1982 г. Этот же год являлся годом семи затмений (максимально возможное количество).

Отдельные горные удары на месторождении охватывают большие участки, характеризуются мощными площадными (400 м2 и более) разрушениями блочного массива, сейсмической энергией 106-Í09 Дж. Такие горные удары отнесены к горно-тектоническому типу, а их отличительными признаками являются: хрупкое разрушение в глубине массива, проявляющееся в виде толчка; динамические проявления на стадии проходки выработок по тектоническим нарушенным зонам в контуре будущего удара; остановка функционирования выработок из-за их полного или частичного разрушения. На основе выполненных исследований получено представление о механизме возникновения горных ударов горно-тектонического типа.

В условиях всестороннего сжатия рудного и рудовмещающего массива решающим фактором напряжённости являются горизонтальные силы тектонической природы. Тектонические силы сжатия, воздействуя на крупноблочный массив вокруг общей зоны выемки рудных тел, создают, в силу геологической неоднородности массива и eró блочной структуры, неоднородное поле напряжений с границами раздела разнонаправленных зон по разрывным нарушениям и контактам разномодульных пород. То есть, существуют условия для накопления упругих деформаций сжатия и формирования во вмещающем массиве общей неравномерной зоны опорного давления.

Неравномерность сжатия структурных блоков и создание плоскостей обнажения при выемке рудных тел, способствует, при критических напряжениях, внезапному срыву (сколу) и смещению частей массива по контактам блоков, геологических разностей или структурным ослаблениям. Такое явление сопровождается динамической пригрузкой района, сейсмическим сотрясением массива, повреждением горных выработок и классифицируется как горный удар горно-тектонического типа или толчок. В интеррале глубин 400900 м скол реализуется при достижении скалывающих напряжений от 30 до 45 МПа, что составляет 40-50 % от средней предельной прочности пород на сжатие. В соответствие с этим механизм подготовки и реализации горного удара горно-тектонического типа в большей степени соответствует модели лавинообразного разрушения перенапряженного массива на большой площади.

2= РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ КОМПЛЕКСА РЕГИОНАЛЬНЫХ И ЛОКАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ГОРНЫХ УДАРОВ

2-5, 7-12, 14-16, 18, 21-23, 25-27]

Решение задачи создания и внедрения комплекса методов прогноза горных ударов, обеспечивающих своевременный непрерывный контроль состояния массива и определяющих необходимость проведения профилактических мероприятий по предотвращению горных ударов, является необходимым условием успешного ведения горных работ.

Общая оценка напряженного состояния массива на месторождении и выявление его пригруженных участков выполняется методами регионального прогноза. Категория удароопасности конкретных участков массива определяется методами локального прогноза. С 1975 года комплекс аппаратурных методов прогноза горных ударов постоянно менялся и совершенствовался. В настоящее время на Таштагольском месторождении используется комплекс региональных и локальных методов (рис.1)

Контроль за региональным изменением НДС массива осуществляется одним из следующих методов:

- микросейсмологический контроль на базе сейсмостанции «Таштагол»;

- микросейсмоакустический контроль с использованием аппаратуры «Прогноз-5»;

- электрометрические методы.

Локальный прогноз на месторовдении осуществляется с помощью электрокаротажа, кернового бурения, подземного электрозондирования на крупных и малых базах, метода глубинных и контурных реперов, метода регистрации импульсного электромагнитного излучения.

Для регистрации микросейсмологических явлений в пределах шахтного поля сейсмостанцией "Таштагол" используется комплект аппаратуры, включающий сейсмоприемники СМ-3 и телеметрическую аппаратуру ТАППС. Передача сигналов от сейсмопавильонов до сейсмостанции осуществляется по кабельным линиям. В работе находятся 8 подземных и 3 наземных сейсмопавильона, позволяющие обеспечить полуавтоматическую регистрацию сейсмической активности.

Прием и первичная обработка (демодуляция и оцифровка) сигналов на сейсмостанции выполняется с помощью аппаратуры селекции и накопления сейсмических сигналов АСН-6. Окончательная обработка полученной информации с определением момента события, его длительности, координат и энергии производится на переональ ОСейсмостанция, 23.8%

Аналитический, 9.52% О Электрометрия, 28.61%

28,61 □ Керновое бурение геологическое, 9.52% Деформационые, 9.5% □ Керновое бурение для определения зон пригрузки, 4.76% □ЕИЭМПЗ, 14.28%

Рис.1. Комплекс региональных и локальных методов контроля напряженного состояния массива горных пород (а) и процентное соотношение методов в 1997 г. (б) ных компьютерах IBM-PC. Для непрерывной записи сейсмических процессов, происходящих в районе Таштагола, на сейсмостанции установлены регистры РС-2 с записью событий на фотобумагу.

В качестве основных параметров, по которым осуществляется прогноз удароопасности, используют:

- уровень сейсмической активности (А4) - число динамических явлений, происшедших за месяц в пределах контролируемого участка при значении энергетического уровня К=4;

- константы закона повторяемости а и Ь, отражающие связь количества динамических явлений А« с величиной их сейсмической энергии Em в логарифмическом масштабе (log А4= а + b logEm);

- максимальный энергетический класс Км происшедшего сейсмического события с энергией Ем, измеренной в [Дж];

- плотность изолиний на картах сейсмической активности, совмещённых с планами горных работ масштаба 1:2000 (карты регионального прогноза удароопасности);

- скорость распространения продольных сейсмических волн.

Величина сейсмической энергии динамического явления определяется,по формуле logEm=2.24+2.76 logr, где т - полная длительность сейсмических колебаний.

Установлено, что участки 3 категории удароопасности характеризуются значениями параметров сейсмического режима: а ¿2,7; b й: 0,6; А4< 10; К» <4.

Участки 2 категории удароопасности характеризуются значениями параметров сейсмического режима:

2,7 < а £ 4; 0,4 ^ b < 0,6; 10<А4<:30; 4<Кга<7.

Участки 1 категории удароопасности характеризуются значениями параметров сейсмического режима: а >4; b < 0,4; А4 > 30; Кт > 7.

Вопрос о периодичности построения карт сейсмической активности решается в зависимости от количества горных ударов, точности определения их параметров и возможной цикличности в изменении сейсмической активности. Изменение конфигурации изолиний равных сейсмических активностей указывает на миграцию участков повышенной опасности по возможному возникновению горных ударов.

Удароопасность массива определяется главным образом степенью его напряжённого состояния. Исходя из представления о том, что горные удары с большим энергетическим потенциалом и разрушительными последствиями формируются в блочной структуре вмещающего массива, организация регионального прогноза горных ударов предусматривает контроль напряжённого состояния во всех крупных структурных блоках, ограниченных разрывными нарушениями, по которым возможна подвижка массива.

Региональный прогноз горных ударов и степени удароопасно-сти массива на Таштагольском месторождении производится методами подземного электропрофилирования (ПЭП) по симметричной 4-х электродной схеме AMNB аппаратурой ИКС-50 и АНЧ-3 с использованием переносных прижимных электродов.

Методами электропрофилирования выработок вмещающего массива контролировалась региональная напряжённость массива, и определялись пригруженные участки массива, в пределах которых необходимо проведение работ по локальному прогнозу удароопасности. Наблюдения по методу ПЭП проводились в квершлагах и полевых штреках на всех эксплуатируемых и вскрываемых горизонтах. Измерения осуществлялись переносной измерительной линией при использовании накладных или прижимных .электродов или постоянной кабельной линии, подключенной к заглубленным реперам-электродам.

За критерий удароопасности для электрометрического метода регионального прогноза принят электрометрический коэффициент Кр = рср/рн, где рср - среднее значение электросопротивления по профилю или по участку профиля; рн - электросопротивление при неудароопас-ном состоянии массива.

Таблица

Электрометрически й коэффициент, Кр = Рср/Рн Относительный уровень напряжённого состояния массива, ом/[с]* Качественная характеристика удароопасности

Кр<0,1 0,8-0,9 Состояние массива удароопасно, возможен горный удар

1 <Кр< 0,5 0,6-0.8 Напряжения достаточны для проявления толчков с энергией порядка 103- 105 Дж

0,5 < Кр < 1 0,4-0,6 Возможна локальная концентрация напряжений в выработках с проявлением стреляния, заколооб-разования

Кр> 1 0,2-0,4 Массив разгружен, участок неуда-роопасен Ом. И сжатие.

- соответственно действующее в массиве напряжение и предел прочности пород на

Интервалы изменений электрометрического коэффициента, соответствующие различным уровням напряжённого состояния массива, установлены экспериментально на основе многолетних электрометрических наблюдений и приведены в табл. 2.

Для установления направленности геодинамических процессов (разгрузки или пригрузки) определяют среднюю скорость изменения электросопротивления от неудароопасного до удароопасного состояния массива по формуле

Vk=(Pil -py)/t. где t - средний период между толчками с энергией более 103 Дж.

Для Таштаголького рудника для измерительных профилей по квершлагам Vk=75 Ом м/сут, а по полевым штрекам Vk=20 Ом-м/сут.

Достижение или превышение этих скоростей в напряженном массиве рассматривается как прогностический признак подготовки динамического явления.

Как показали проведённые исследования, разрывные тектонические нарушения оказывают значительное влияние на НДС массива. Оценка уровня напряжённого состояния массива в районе нарушений электрометрическим методом в варианте крупнобазового подземного электрического зондирования основана на следующих положениях. Шов разлома является электрически плохо проводящей средой, сопротивление которой меняется в зависимости от уплотнения или разуплотнения контактов его бортов в результате их взаимных подвижек. Изменение контактной плотности приводит к изменению электросопротивления на несколько порядков по глубине зондирования в исследуемых участках шахтного поля ; вдоль сместителя разрывного нарушения. Наблюдения, выполненные в течение шести лет вдоль тектонических зон на различных горизонтах после проведения массовых взрывов, до и после динамических проявлений показали, что зона постепенно раскрывается, если после массового взрыва опорные нагрузки перемещаются с крыльев зоны, и наоборот, происходит процесс уплотнения, если нарушение попадает в зону опорных нагрузок (рис.2).

Установлено, что значения параметра напряжённости Массива

- Ap/pi 5 |0.05[ соответствуют границе влияния производственных процессов;

- участок массива пригружен, если |0,05| > Др/р1 > -1;

- участок массива разгружен, если |0,05| < Ap/pi < 1000;

- участок угрожаемый по горным ударам, если -0,93 > Ap/pi >

0,97;

- участок опасен по горным ударам, если -0,97 > Др/р1 > -1;

- потеря устойчивости части массива при Ap/pi £ 20;

- массив разрушен при Ap/pi > 150, где Ар - разность измеренных значений р! и последующих замеров; р1 - значение первоначального замера, выполенного в период минимума сейсмической активности. рь ,Ом.м

7 9 И 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 АВ/2,М

Рис.2. График изменения среднегодового электросопротивления по данным крупнобазовых зондирований по ц.2 гор.-280 м орт

Следует отметить, что если удароопасный участок располагается на глубине более 3 м от обнажения, то возможны лишь явления толчкового типа. Наличие удароопасных участков большой протяжённости (более 20 м) в районе пересечения тектонических нарушений может привести к горному удару большой мощности.

Проведение локального прогноза в рабочих забоях при проведении нарезных и подготовительных выработок выполняется методами подземного электрического зондирования (ПЭЗ) по бортам и кровле выработок и электрокаротажа опережающих скважин РКС). Оценка степени удароопасности руды и вмещающих пород основана на уменьшении электросопротивления при изменении их структуры, степени трещиноватости и контактных сопротивлений между зернами под действием горного давления. С ростом нагрузок в упругой области сопротивление руды и пород снижается. По результатам ПЭЗ и ЭКС разработана монограмма для оценки категории удароопасности руды и вмещающих пород. Она построена в координатах

1/Кр=/(х/Ь), где х - расстояние до границы зоны упругого деформирования Пород; Ь - размер выработки в области расположения электродов измерительной установки; Кр - параметр напряженности, косвенно отражающий концентрацию напряжений.

Технологией ведения очистных работ на Таштагольском месторождении предусматривается проведение ежегодно 3-4 массовых специальных и до 50 технологических взрывов, что вызывает горные удары с высоким (до 109 Д ж) энергетическим уровнем.

Проведённые исследования влияния массовых взрывов на динамическую обстановку на месторождении позволили разработать методику прогноза (по месту и времени) динамических проявлений горного давления и их последствий в горных выработках после проведения массовых взрывов. В основе методики прогноза лежат три составные части, без учета хотя бы одной надежность прогноза сводится к минимуму:

1) оценка состояния массива осуществляется по данным аппаратурных измерений и характеризуется параметрами электрического и электромагнитного полей, сейсмоакусгической и сейсмологической активностью, деформационными характеристиками с учетом временных и астрономических факторов на период проведения массовых взрывов;

2) учет технологической и горно-тектонической обстановки по шахтному полю на период массового взрыва, определяемой положением зоны опорного давления, тектоническими особенностями (наличием геологических разностей, контактов, нарушений, выклинки рудных тел и др.), наличием, видом и состоянием крепи в выработках, прилегающих к району взрыва, направлением развития горных работ после массового взрыва, наличием блоков, попадающих в зону опорного давления;

3) оценка влияния факторов, воздействующих на массив горных пород во время производства массового взрыва и последующий за ним период. К наиболее значимым факторам следует отнести ударную (воздушную) волну, сейсмическую волну, мгновенное снятие подпора при разрушении блока и последующее мгновенное перемещение опоры, перераспределение максимума зоны опорного давления и формирование новой зоны опорных нагрузок, прохождение волны давления по массиву, процессы сдвижения по мере выпуска руды из блока.

Окончательный прогноз динамических явлений и возможных нарушений в горных выработках после проведения массовых взрывов осуществляется исходя из данных 1 части методики для рассматриваемых условий (2 часть методики) с учетом влияния всех параметров 3 части методики. В соответствии с разработанной методикой в 19941997 годах был проведен прогноз динамических явлений по месту, времени и энергетическому уровню при производстве массовых взрывов блоков 9 (горизонт -210--140 м), 6 (горизонт -140:-70 м), 20 (горизонт -280:-210 м), 33 (горизонт -280:-210 м). Полученные фактические данные имеют высокую сходимость с прогнозом, в табл.3 в качестве примера приведены результаты по блоку 20.

3. СОЗДАНИЕ МНОГОФАКТОРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО

МАССИВА

2,8,13,14,16-18,20,26]

Изменение качественного характера, многообразие динамических форм, возникновение горных ударов без видимых провоцирующих факторов - все это в значительной мере осложняет как контроль напряженно-деформированного состояния горного массива, так и непосредственно прогноз горных ударов на месторождении.

Разработанный и внедренный на месторождении в настоящее время комплекс геофизических методов позволяет выделять динамически активные участки шахтного поля, контролировать изменения НДС горного массива. Однако для решения проблемы горных ударов (для их предупреждения, для прогноза по месту и времени) одной, даже идеальной, системы контроля недостаточно.

В этой связи для повышения безопасности ведения горных работ в удароопасных условиях была разработана многофакторная система контроля напряженного состояния массива горных пород, которая включает четыре основных звена (рис.3) и позволяет заблаговременно устранять условия возникновения горных ударов при отработке глубоких горизонтов месторождения.

Важнейшими звеньями при этом являются технология ведения очистных и подготовительных работ и аппаратурный контроль за изменением НДС массива (включающий и комплекс методов прогноза горных ударов).

Структурно-геологический облик месторождения, составление структурно-тектонической карты шахтного поля с выделением блоков различной иерархии позволяют обеспечить своевременный прогноз горно-динамических ситуаций.

Учет последнего звена системы - влияние астрономических и сезонных факторов на состояние горного массива, пока осуществляется недостаточно полно, хотя установлено, что горные удары на месторождении увязываются с периодами лунных или солнечных затмений. Слабый учет четвертого звена объясняется недостаточным количеством данных по динамике водопротока, температуре воды и воздуха в горных выработках, которые необходимо регулярно пополнять.

Рис.3. Схема многофакторной системы контроля напряженного состояния горного массива на Таштагольском руднике

Практическое внедрение многофакторной системы контроля на месторождении подтвердило ее работоспособность, в настоящее время продолжаются исследования с целью ее дальнейшего совершенствования.

Таблица

Прогнозная оценка по блоку 20 Факт

Место Время Явления

Гор.-140 м, СЗПЩ, орты 6-13 Момент взрыва Нарушение бетонной крепи, обрушение разбитых плит, образование новых трещин В выработках отмечены свежие сколы бетона, обрушение ранее разбитых плит, образование трещин

Этаж-140: -280м район склада ВМ От 1 до 2,5 суток после взрыва Толчки с энергией до 103 Дж, образование трещин Через 12 дней после взрыва толчок с энергией 1,1*102 Дж. Нарушений нет

Гор.-210м В момент взрыва и в последующие 4 дня Толчки с энергией до 103 Дж, нарушения в выработках в виде трещин в бетонной крепи В течение двух дней после взрыва серия толчков с энергией от 5,5*101 до 1,2*103 Дж

Гор.-280 м, орты 22-21 В момент взрыва Возможны вывалы, поднятия почвы, разрыв рельсового пути Орты 20, 21, 22 - шевеление почвы, поднятие путей. Орт 21 - разорвана рельсовая нитка в районе восточных ВДПУ

Этаж -280: -350 м, орты 13, 14 До 5-6 дней после взрыва Толчки до 104 Дж В течение трёх дней после взрыва толчки с энергией от 1,9*10' до 3,6*103 Дж

Гор.-210 м камера зарядной техники В момент взрыва и в последующие 4 дня Образование трещин в бетонной крепи Отмечено значительное раскрытие трещин и образование новых