автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка метода прогнозирования полей напряжений и мер безопасности при освоении сложноструктурных удароопасных месторождений

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

РАССКАЗОВ й'срь Юрьевич

УДК 622. 831. 32: 551. 24

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПР0ГН03К?0Е\!Е*Я НОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ Л МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОСВОЕНИИ СЛОЛЮСТРУКТУРШХ.УДЛРССНДСКЖ МГСТОРОДДЕЮЙ

Специальность 05.15.11 - йганческне процессы

горного производства

. 05.15. 02 - Под?е>шая разработка местороядэшгЛ полезных, ископаемых

Автореферат диссерта1!.ии на соискание ученой степени кандидата технических н?ук

Хабаровск - 1992

/

Работа выполнена в Институте горного деда Дальневосточного отделения Российской Академии наук - ИГД Д80 РАН

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

ВАТУТИНА Ирина Михайловна

. кандидат технических наук, старший научный сотрудник КУРСАКИН Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

МУРАТОВ Николай Александрович

кандидат технических наук ШАБАРОВ Аркадий Николаевич

Ведущее предприятие - комбинат "Хинганолово"

Защита диссертации состоится " " > 1992 г. в " " на заседании специализированного Совета К 003.92.01 по приеужде ученой степени кандидата технических наук в Институте горного д Даньневостчного отделения РАН по адресу: г. Хабаровск, ул. Тургенева, Б1

С диссертацией можно ознакомиться в с 9 до 17 час. 30 мин.

Автореферат разослан " "

Исх. N

библиотеке ИГД ДВО АН СС 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

Г. А. Курсакин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перспективы развития добычи руд связаны с возможным дальнейшим ухудшением горно-геологических условий и необходимостью освоения все более глубоких горизонтов разрабатываемых месторождений. Ведение горных работ на большх глубинах сопряжено с рядом серьезных проблем, наиболее ело,твой из которых является прогноз I! предотвращение горных ударов. Для принятия научно обоснованных решений по вскрытию и эксплуатации удареопасиых месторождений необходима достоверная информ'яц:.! о геонэланическсм состоянии массива горных пород и, в первую очередь, о параметрах и характере поля действующих в нем напряжений. Эта информация ваяна уже на стадии проектировании и итрситсльства гсрнсдобьгааксих предприятий, когда ьхотго заблаговременно выполнить ряд протипоудариьсс мероприятий, что дает иаибольсий э<£фект.

Выполнить опенку напряженного состояния массива пород позволяет созданный в навей стране (ВНЖН и КузПИ) и интенсивно развиваемый в последние годы метод геодннампчесиого районирования месторождений. Практгаса горных работ вызывает необходимость повисни* зффек-тивность данного метода и расширить область его применения, особенно для условий месторождений слогной тектонической структуры, которые широко представлены в тектонически активном регионе Дальнего Востока, и одним из представителей которых является рассматриваемое .Хинганекое оловорудное. Для этого необходимо установить взаимосвязь особенностей тектонического развития со сложим геологическим строением породит массивов, что позеолит использовать полученные результаты для повышения безопасности горных работ. Поэтому исследования, направленные на разработку новых"элементов метода прогнозирования полей напряжний в сложноструктурных удароопасных месторождениях, является актуальными и полезными для повышения эффективности их разработки.

В основу диссертации положены результаты исследований, выполненные по плану научно-исследовательских работ 11ГД ДВО РАН по теме 'Разработка научных методов управления горним давлением на примере склонного к горным ударам Хинган^кого оловорудного месторождения" . Й гос. регистрации 01370031947) и по хозяйственному договору с гомбинатом "Хикганолово" по теме "Разработка методики оценют напря-гешгогс состояния подрабатываемого массива горных пород с целые выделения потенциально удароопасных зон для услоеий Хинганского оло-;орудчого месторождения".

Дель работы - установить особенности механизма формирования и разработать метод прогнозирования полей напряжений в тектонически и структурно сложных у-дароопаених рудных месторождениях для обоснования эффективных мер безопасности.

Основная идея работы заключается в том, чтобы установленные закономерности формирования полей напряжений в структурно-неодноро дном блочном массиве горных пород использовать для выделения в нем потенциально удароопасных зон и разработки рекомендаций по безопас ному ведению горных работ.

Задачи исследований :

- установить особенности тектонической структуры местороздени определяющие характер распределения напряжений в структурно сложны пассивах горных пород;

- на примере Хинганского месторождения, характеризующегося сложной тектонической структурой, выявить разномасштабные тектонические блоки, ограниченные новейшими разломами, затем выполнить тектонофизичеекий анализ ведущих, геодинамически активных, разломе и определить параметры и характер поля естественных напряжений мае сива месторождения;

- разработать принципы построения геодинамических моделей фог ьшрования современного поля напряжений в массивах слошюструктурт месторождений;

- разработать практические рекомендации по рациональному расположению и определению формы сечения горных выработок при управлении горньп,1 давлением в условиях удароопаспых слохноструктурных месторождений.

Методы исследований включают анализ и обобщэние известных результатов исследований, а тагас геоморфологическое изучение рель« земной поверхности по топографическим ! картам и аэрофотоснимкам, тектопофнзичеокий анализ, математическое моделирование методом конечных элементов, шахтные эксперименты и натурные наблюдения в по, зеыных горных выработках.

Научные положения, выносимые на защиту :

1. В месторождениях сложной тектонической структуры особенностью геодинамики является определяющее влияние одного или небольшого числа крупных подвижных разломов, характер и интенсивность тектонической активности которых оказывает решающее влияние на армирование современного поля напряжений массива горных город.

-32. Характер распределения напряжений в нетронутом породном массиве и степень ударосггасности образующихся в нем тектонически напряженных зон, кроме того, зависят от ранга и активности всех выявленных разломов, от конфигурации и ориентировки относительно главных напряжений контактов диалогических разностей горных пород.

3. Обоснование эффективных мер безопасности при разработке -удароопаспого месторождения, особенно - выбор расположения и формы сечения горных выработок, долхпы производиться на основе учета направления действия тектонических напряжений и зон их концентрации, вызванных влиянием элементов тектонической структуры.

Лостоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: представительным объемом .материала о тектонической нарукенности породного -массива (проанализировало оюэ-ло 1 тыс. тектонических нарушений.различных рангов); комялегашой постановкой исследований о применением различных методов оценки напряженно-деформированного, состояния массива и хорокэй'сходимостью полученных результатов (теоретические дачные о зонах 1сс;;цснтрацин напряжений подтверждается з 80-90 % случаев измерениями напряжений и визуальной оценкой -динамических проявлений горного давления); не противоречием основных выводов современным представлениям о текто-. нических процессах в земной коре и механизме деформирования блочного массива горных пород.

Научная новизна проведенных исследований заключается в сле-■дующем:

- разработан принцип оценки напряженного состояния массива пород, основанный на приоритетном использовании закономерностей распределения локальных напряжений в зоне влияния активного разлома;

- обоснован критерий тектонической активности разлома, учихы-вс&щий особонпсст;! тектонической структуры массива и тин действующего в нем современного поля напряжен!!;':;

- установлены закономерности распределения напряжений в структурно-неоднородном массиве горных пород и получены количественные зависимости, связыванию коэффициенты концентрации нормальных и касательных напряжений с основными параметрами влияния породных копта; ггев;

- впервые составлена гсодинамическая модель для условий ударо-"пасных горизонтов Хинганского месторождения;

- разработаны методические основы прогнозирования напряженного состояния массивов горных пород, учитывающие особенности тектониче-

ской структуры месторождений, геодинамика которых контролируется влиянием крупного активного разлома.

- обоснован принцип повышения безопасности при разраоотке уда-роопасного месторождения путем определения рациональных расположения и формы сечения горных выработок, основанного на использовании данных о характере поля напряжений, обусловленного влиянием тектонической структуры месторождения.

Лично автором :

- выявлена и изучена подвижная блочная структура района Хин-ганского оловорудного месторождения;

- разработана геодинамическая модель формирования современного поля напряжений в массиве сложноструктурних месторождении;

- выполнены измерения напряженного состояния и механических свойств горних пород Хинганского месторождения;

- проведены натурные наблюдения за состоянием горных выработок и конструктивных элементов системы разработки;

- составлены прогнозные карты напряженного состояния массива горных пород глубоких горизонтов Хинганского рудника;

- разработаны рекомендации повыиения безопасности горных работ в удароопасных условиях с использованием данных о характере поля напряжений массива горных пород сложной тектонической структуры.

Практическая ценность работы заключается в создании методических основ прогнозиоования полей напряжений, обусловленных влиянием элементов тектонической структуры массива, что позволяет на основе полученных закономерностей обосновать комплекс региональных и локальных мер .по управлению горным давлением при разработке удароопасных месторождений.

Реализация работы. По результатам исследований разработаны и реализованы рекомендации по совершенствованию горных работ, а также составлены и введены в действие "Временные указания по оегопасному ведению горных работ на Хинганском месторождении, склонном к горним ударам" (1991 г.). являющиеся дополнением к "Инструкции по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам", утвержденной Госгортехнадаором в 1989 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на' IV и V Всесоюзных семинарах по геодинамическому районированию недр (г. Кемерово, 1990 г., 1992 г.), П Всесоюзном

семипаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях вычокогорья" (г. Фрунзе, 1990 г.), Региональной научно-прастичссксй конференции "Проблемы научного оСс-спсчсгач реализации заданий Долговременной государственной прсг?з!до( кояплрксксго развития производительных сил ДЕЭР, Бурятской АССР 1' '¿«гинекей облает:: на период до 2000 г." (г. Владивосток, 1090 г.). '/-ю/п« Советах ИГЛ ДСО РАН н технических солдатах пегй-'.'л-мъ "Л нгиюгяю" в 19*37-1992 г.

Пуоликацчн. По рс-зу.:: гатгм одубляЕЗдпо 7 пе-

чатных работ.

Обтсм и структура работу. Дкесортац^л согтои? по зелдош, пят)! глав :: заключения, излэгзшшх на 174 страницах каплпгапкекого текста, з тон «отеле 39 рисункт;, 11 т?блиц. список л:ггература 159 наименований и 2 прияггеиия.

Автор вирагает илагодарчоети д. т. н. Петухов/ II Ы и Кулакову Г. И. , к. т.н. Ватутину Л. С. за цепные советы, высказанные пул обсуждении работы, к. т. ь. Цэяоау ¡0. А. за ;.:етол!:чсекуэ и оргаиюаиюнрун поюсь на отапе постановки исследований, а гачго коллеге« гл Ш'Д Д?0 РАЙ и специалиста» комбината "Хлнгаполово" за внимание к работе к содействие в проведении экспериментов.

0СНСВЕ02 СОДЕРЖАНИЕ рдюти

Одной :;з наиболее слогз'ых пробЛ№ глуСекнх рудпккои яил^утсл прогноз и предотзра^онна горны;: ударов, '.то необходимо Л-- оДС^к-?2яшсй и безопасной отработки кееторо^ешй. При ькСсре ¡аяишкеа яротивоудартк г'зроприягкй ключзпео апатсивс имеет учет естественного напрятанного состояния массива горл* ас посол, сОуслзвлппхчо вл:яшием шгогочгелеякых ни:рог.п; ":с фак; е?:оз.

Экспериментальные! кссладовгаия шфягсшю-дефэрунрзванпого юетояния породи'« «зссивов, теореиг'.сскал и методическая основа «оторых разработала Айтматовым И. Т. , 13атугш:ым С. А. , Ватутиной 1.1,1 , Борц-Когаснийцем В. II , Елохсм 11 Л., Егоровы.! IIК , Саюесвич 1 Ф. , Кузкецовкм С. В. , Кулаков!»! Г. К , Марковым Г. А. , Мураторям £ А. , Петухопым И. М. , Саауршшм А. Д. , Смирновым В. А. , Турчаниновым 1 А. , Хастом Н. , В?млгапшм Е.И. и др., показывает, что а больаягст-¡е рудных районов наряду с гравитационными действует тектонические юля напряжений. Ксльшинство экгпар,.»*гнталъных мзтодоэ характери-!уется значительной трудоемкостью, а так» требует наличия горных

выработок, что исключает возможность заблаговременной оценки напря же иного состояния массива, особенно необходимой на стадии проектирования и строительства горных предприятий. К недостаткам инструментальных методов относится также малая база измерений, что в условиях рудных месторождений, отличающихся существенной структурно-геологической и петрографической неоднородностью породных и руд ных массивов, значительно осложняет экстраполяцию результатов точечных замеров на большие объемы горних пород.

Сведения о напряженном состоянии нетронутого массива горных пород могут быть получены также с помощью метода геодинамического районирования месторбждений (И. Ы. Ватугина, И. Ы. Петухов), объединяющего комплекс геоморфологических и тектонофизических методов. Напряженно- деформированное состояние массива при этом рассматривают как результат взаимодействия подвижных, геодинамически активных блоков земной коры различных рангов. Тектонофизический анализ, основы которого разработаны Гзовским М. Е , Гущенко 0. И. , Николаевым П. К и др. , позволяет, в зависимости от масштаба вовлеченных в анализ геологических структур, реконструировать поля напряжений разного иерархического уровня.

Для повышения.эффективности метода геодинамического районирования месторождений в условиях глубокозалегаюших сложноструктурных месторождений тектонически активного региона Дальнего Востока, требуется развить ряд положений, учитывающих особенности их тектонической структуры как при оценке естественного напряженного состояния массивов горних пород, так и для более обоснованного планирования мероприятий по управлению динамическими проявлениями горного давления при отработке данных месторождений. Этим обосновывается необходимость исследований, направленных на разработку метода прогнозирования напряженного состояния блочного массива горных пород.с учетом закономерностей формирования полей напряжений в рудных месторождениях сложной тектонической структуры.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследований.

Исследования по разработке метода прогнозирования полей напряжений в породных массивах сложной тектонической структуры проведены на примере Хинганского месторождения, расположенного в Хинга-но-Олонойском оловорудном районе на юго-восточной окраине Буреинс-кого массива Дальнего Востока. Изучение геодинамики месторождения основывалось на выявлении его подвижной блочной структуры, предста-

вляюшей собой систему разномасштабных тектонических блоков, ограниченных новейппии разломами.

Блочную структуру района месторождения выявили картографическим методом А. В. Орловой, базирующимся па представлениях о современном рельефе как отражении разнонаправленных тектонических движений блоков землей коры по системе разновозрастных разломов различной глубины заложения. Исследуемая территория юго-западной части Дальнего Востока находится в области современного орогенеза и отличается контрастным, удобным для морфометричеекзго анализа, рельефом, в котором геоморфологические признаки существования разломов проступают- достаточно отчетливо. Методика выявления подвижных блоков носила комплексный характер и заключалась в структурном дешифрировании топографических карт и аэрофотоснимков, анализе полученного гипсометрического поля, сопоставлении выделенных разломов с геологическими, геофизическими и геоморфологическими данными и в последующем уточнении границ блоков в подземных горных выработках.

На основе изучения тектонических форм рельефа последовательно 5ыли выявлены блоки I, П, Ш и IV рангов, одна часть которых (блоки !!Ь IV рангов) слагает яепосредственно сам pailón Хинганского месторождения, другая (блоки 1-П рангов) - прилегающие к нему территории. Установлено, что Хингано-Олонойасий оловорудный район находится в узле пересечения глубинных разломов северо-восточного, севе-эо-западного и субшир'отного направлений, обусловивши особенности ;го блочного строения (рис. 1).

Сопоставительный анализ выделенной блочной структуры с данными «е'лко- и среднемасштабного геолого-тектонического картирования но-сазал хорошую пространственную корреляцию дешифрированных нами гра-1иц блоков 1-Ш рангов с тектоническими нарушениями, установленными >анее пи геологическим признакам.

Положение границ блогав IV и более высокого ранга уточняли в голевых условиях посредством изучения документации обнажений, обс-[едования горных выработок и геологоразведочных скажин. Установле-о. что большинство выявленных в пределах шахтного поля тектоничес-:их нарушений в общих чертах наследует древние "дефекты" массива -'айки порфиритов и прямолинейные участки породных контактов.

В результате анализа новейших движений и сейсмической актив-ости исследуемой территории установлено, что на региональном и окальном уровне ее геодинамика определяется условия»® тектониче-кого развития Еуреинского кристаллического массива, тектонические

Елочное строение Хингано-Олонойского оловорудного района

А

?25

Мр___аз? ' % ч,

/А / ^ V

■¿/ ""Л*. > ч

1160

Ж ^ "V "^.х___

/ „„ Ч <С{А 850 / о3/ Ы У / \ 53? у •

А,,/ /

/ \ / -------- " ^

/ ____ ИГ. "тУ! ' N¿1, '."М — 1

\

V

/

Г

1 - разломы П ранга; 2 - разломи Ш ранга; 3 - разломи Г/ ранга; 4 - гипсометрические уровни Слотов; 5 - оловорудние мзсторозде-ния: Брз. - Березовское;- Крд. - Карадубское; Оли. - Олонойское; Хинг. - Хингаиское

Рис. 1.

блоки которого испытывают преимущественно восходящие перемещения со скоростью более 3 мм/год. Иг> расчленяющих массив глубинных разломов выделен ведущий для района локализации оловорудных месторождений - ближайший к нему и наиболее тектонически активный Хинганс-кий разлом, имеющий правосдвиговую кинематику. Проведенным кинематическим анализом Хингаиского разлома (с учетом анализа механизмов очагов землетрясений) обоснован современный режим нагружения исследуемого участка земной коры и восстановлено (по методу М. Е Гзовско-го) региональное поле напряжений, характеризующееся сдвиговым типом и преобладающим сжатием в субриротном направлении.'

На локальном же уровне геодинамика Хинганского месторождения контролируется активным протяженным тектоническим нарушением (Ш ранга), развивающиеся под влиянием регионального поля напряжений, о чем свидетельствует его одинаковые с Хинганскяи разломом простирание и кинематический тип.

Для оценки напряженного состояния в массивах, приуроченных к крупным разломам месторождений, предложен принцип, заключающийся в дополнении регионального поля напряжений полями локальных напряжений, закономерно формирующимися вокруг активных тектонических нарушений. При этом опирались на разработанную в И&З РАН схему распределения напряжений в окрестностях разрыва (Д. Н. Осокина и др., 1979), согласно которой напряжения в зоне его влияния меняют свою первоначальную ориентировку и действуют строго определенным образом.

С использованием данного принципа создана геодинамическая модель Хинганского месторождения, согласно которой главные нормальные напряжения в пределах шахтного поля (локальные напряжения) распределены следующим образом: максимальные {б,) - действуют субгоризонтально в запад-юго-западном направлении; в этой же плоскости действуют минимальные (б3) напряжения, а ось промежуточных {бг) - субвертикальна (рис. 2).

Соответствие разработанной модели месторождения и выявленных на ее основе наиболее общих закономерностей напряженного состояния массива горных пород реальным условиям проверяли в процессе натурных экспериментапьный исследований, включавших: изучение и геометризацию тектонической трешиноватости, визуальные наблюдения за разрушением горных выработок, а также непосредственные измерения напряжений инструментальными методами.

Результаты комплексных исследований е-значительной степени подтвердили характер и ориентировку осей прогнозируемого поля нал-

Характер поли напряжений в районе Хинганского месторождени

ЕЗ» Ш»

1 - направление регионального сжатия; 2 - направление смещения крыльев разлома; 3 - разлом Ш ранга; 4 - разлом IV ранга; 5 - разлом, дешифрированный по аэрофотоснимкам; 6 - зона влияния активных разломов; 7 - траектории главных нормальных напряжений: а - максимальных б - минимальных (£5^; 8 - граница горного отвода рудника; 9 - шахтный ствол; 10 - роза-диаграмма простираний тектонической трещиноватости

Рис. 2.

ряжений (расхождения в направлении действия теоретических и измеренных напряжений не превысили 10°. ..28°). а также позволили количественно оценить величины действующих в массиве месторождения главных нормальных напряжений, характеризующиеся В условиях нижних горизонтов (глубина 570. ..650 м) значениями: б,- 2,5. ..3,0 (в среднем 50 МПа); «15.. - 20 МПа.

Еыявлена существенная неоднородность естественного поля напряжений массива месторождения, обусловленная влиянием его тектонической структуры, отличающейся значительней сложностью. Как показал анализ результатов визуальных наблюдений за состоянием горных выработок, внешние признаки удароонасиости массива (в виде шелушения и интенсивного заколсобразования) в пределах шахтного поля проявляются неравномерно, превалируя вбливи границ тектонических блоков и на участках, содержащих контакты пород различного диалогического типа Измеренные значения напряжений на этих участках изменяются в пределах 62,2. ..98,2 МПа, составляя в среднем 70,-1 МПа.

Для оценки степени геодинамического влияния тектонических нарушений IV и более высокого ранга разработан критерий внутрибдоко-вой тектонической наруиенности, учитывающий комплекс следующих признаков: 1) выраженность разлома в современном рельефе; 2) характер сместителя дизъвнетива; 3) соответствие кинематического типа разломов современному полю напряжений; 4) ориентировку тектонических нарушений относительно разлома, контролирующего геодинамику месторождения; 5) пространственную связь тектонических нарушений с элементами геологической структуры месторождения. Значимость каждого признака выразили через показатель тектонической активности разлома (N , оцениваемый баллами.

Тектоническое нарушение относится к геодинамически активным, если сухарный показатель ¿Ul" При ДиГ разлом считается потенциально удароопасным, а в его зоне устанавливается I-П категория удароопасности.

С целью выявления бакеном;ркостей распределения напряжений в структурно-неоднородном мчссиве горних пород проведены численные расчеты напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЗ). Реализацию ШО осуществляли с помощью разработанного в 15ГД ДЮ РАН на алгоритмическом языке Паскаль пакета прикладных программ для ГОВН "METnFEM", ориентированного на решение задач в упругой двумерной постановке.

Для анализа напряжений в зонах влияния контактов использовали

обобщенные показатели (коэффициенты концентрации нормальных и касательных напряжений), определяемые в данном случае из выражений:

К -

IV, - />.-«

К<

С ачт

б,Ц, б?-

где /(6, К? - коэффициенты концентрации нормальных и касательных, соответственно, напряжений в данной точке ^ Поля, отн. ед. *, Оср - нормальное напряжение в данной точке поля вдоль направления С," или ; ит - касательное напряжение в данной точке поля вдоль направления (:," или ¿5" ; первые и вторые главные напряжения исходного поля напряжений.

Анализ результатов численных расчетов показал, что уровень напряжений в массиве со структурными неоднородностями определяется влиянием следующих основных факторов: расстоянием до линии контакта; физико-механическими свойствами (главным образом, упругими характе-ристшсами) горних пород; формой контактирующих поверхностей и их ориентацией по отношению к направлению действия главных напряжений.

. Методами математической статистики выполнена количественная оценка совокупного влияния основных вышеперечисленных'природных факторов на исходное напряженное состояние. Это влияние определяли из уравнения множественной криволинейной регрессии, где независимые переменные: соотношение упругих характеристик слагающих контакт горных пород (£*), расстояние до линии контакта (/?) и угол между простиранием контакта и направлением действия первых главных напряжений (сх). При элиминировании третьей переменной, получены математические зависимости, хорощо аппроксимирующие (индексы корреляции г>0,92) изменение Кс; и Кг в связи с изменением первых двух факторов. Графически полученные зависимости представляют собой криволинейные поверхности, форма которых отражает изменение значений коэффициентов концентрации напряжений при различных расстояниях до линии контакта и соотношениях его механических характеристик.

На основе анализа этих графиков при различной ориентации контакта (здесь учитывается фактор с/ j установлена количественная вза-

имосвязь Ко со всеми тремя рассмативаемыми факторами, записывавшаяся следущнм образом:

л; = 1,10*0,0265-Е.-й(ЮЧу£-ЦООШ* Ш),

где Ек - ¿//к? - соотношение модулей упругости слагающих контакт кварцевых порфиров (/"/) и их брекчий (£>);

. Я - расстояние до линии контакта; Я - 0... 40 м;

сл. - угол ыежду простиранием линии контакта и направлением действия первых главных напряжений; Ы - 0.°.. 90°.

Для удобства практического использования полученной зависимости разработана номограмма, с помощью которой определяются значения коэффициентов концентрации нормальных напряжений в любой точке массива в зоне влияния разномодульных контактов горных пород (рис. 3).

Выявленные закономерности распределения напряжений в структурно-неоднородном массиве свидетельствуют, что наиболее неблагоприятны с позиции концентрации напряжений (1Цг >1,5), и, следовательно, потенциальной удароопасности, условия продольного контакта (когда поверхность контактирующих пород ориентирована вдоль максимальных напряжений) и жесткого шшшения (когда более жесткие породы окружены относительно более мягкими).

С учетом плияния тектонической структуры месторождения составлены прогнозные карты напряженного состояния массива нижних горизонтов, которые дали возможность выявить в пределах шахтного поля и геометркзировать потенциально удароопаеные тектонически напряжение зоны.

На основе обобщения результатов проведенных исследований разработан (подробно изложенный в диссертации) метод прогнозирования полей напряжений массивов горных пород сложного геолого-тектонического строения, в котором общая схема основных этапов работ по геодинамическому районированию дополнена рядом предложенных и обоснованных злемзптсв, необходимых для учета влияния слохлой тектонической структуры месторождения. Эти элементы заключаются в следующем: 1) дифференциации рангового ряда выделяемых блоковых структур на два уровня (региональный и локальный), что необходимо для реализации предлагаемого нами принципа оценки напряженного состояния массива горных пород; 2) использовании данных региональных сейсмологических наблюдений (в том числе механизмов очагов землетрясений) для выявления ведущих геодииамически активных разломов и их кинемати-

Номограмма для определения коэффищ!ента концентрации нормальных напряжений в зоне влияния контакта горных пород (условные обозначения см. в тексте)

Рис. 3.

еского анализа; 3) тектонофнзической оценке поля напряжений ыаеси-а горных пород в зоне влияния активного тектонического нарушения; ) оценке влияния элементов тектонической структуры месторождения геодинамически активных разломов и контактов разномодульных пород) а напряженное состояние и удароопасность массива горних пород; 5) чете особенностей тектонической структуры месторождения при выяв-энии и геометризации потенциально удароопасных тектонически напря-энних зон; 6) оптимизации комплекса противоударных мероприятий при азработке удароопасных месторождений сложного геолого-тектоничес-эго строения.

Установленные-на основе разработанного метода параметры и ха-жтер поля напряжений массива Хккганского месторождения использо-1ну при выборе и обосновании комплекса мероприятий по управлений шамическими проявлениями горного давления на нижних горизонтах лшика.

Методом конечных элементов исследовано влияние очистной выем-1 на исходное напряженное состояние породного массива. Анализ ¡елешшх расчетов напряженного состояния конструктивных элементов вменяемой системы разработки с учетом реальных условий и геомет-!и выработанного пространства показал, что при отработке очистных шер происходит существенное перераспределение напряжений в окру-нощем массиве горных пород (рис. 4). Вблизи подготовительных вы-1боток, расположенных в массиве потолочины и днища блока, вылвле-I зоны опасных концентраций сжимающих напряжений (коэффициент кон-•нтрации равен 3), усугубляемых наличием сдвиговых напряжений в 'ризонталыгой плоскости. Вдоль бортов камеры выявлены протяженные ласти растягивающих напряжений, по значению приближающихся к пре-лу прочности пород, что в итоге может приводить к их обрупениям.

Результаты математического моделирования подтверждены данными турных измерений напряжений фотоупругими датчиками (расхождение жду теоретическими и фактическими данными не превышает 20?:). ирост сжимающих напряжений происходит пропорционально увеличению зщадн отработки и наблюдается па расстоянии до 30 м.от границы рабо-тшшого пространства, причем на расстоянии Ь... 10 м величина пряжений превышает исходный уровень в 1,3. ..1,7 раза.

С учетом выявленных закономерностей распределения напряжений крушенном очистными работами массиве пород обоснованы наиболее цюбезопасный порядок отработки очистных блоков и варианты рас-иожения подготовительных выработок (включая переход на другие

Характер распределения напряжений вскруг выработанного пространства в зависимости от пролета камгры I , м: а - схема расположения характерных точек в .конструктивных элементах очистного блока; б - характер распределения напряжений соответственно в точках А, В, С, О, Е, Р :

1 к! !

V > - ! у

1

з ¡в гч зг и

8 15 24 32 I

3 /5 Л 32 I

/5 24 32 £

средние нормальные напряжения <5™ , МСа: 2 - интенсивность ¡саеательных напряжений ^

151а

1

анти подготовки днищ очистных блоков).

В соответствии с установленными параметрами поля напряжений ива Хингансксго месторождения определены рациональная ориенти-:а (.в ЗЮЗ направлении) и наиболее устойчивые формы поперечного ния выработок, при которых достигается минимальная концентрация жжений в приконтурной зоне. Предложены более безопасные вариан-боек горных выработок и их проведения в зоне влияния геодинами-:и активных разломов.

Дифференцированы мероприятия по предотвращению горных ударов проходке выработок на участках с различной категорией удароо-гасти. Для образования защитной зоны в призабойной части разра-lhu рациональные параметры камуфлетного взрывания.

Разработанные по результатам исследовании основные рекоменда-приняти на производстве, а принщшы управления динамическими [влениями горного давления на удароопасных участках массива полегли в основу "Временных указаний по безопасному ведению гор-работ на Хинганском месторождении ...", которые используются решении вопросов вскрытия и эксплуатации нижних удароопасных (зонтов месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи )аботки метода прогнозирования полей напряжений в массивах гор-пород сложной тектонической структуры и использования получен-на его основе данных для выбора и обоснования мер безопасности управлении горным давлением в удароопасных месторождениях.

Основные научные и практические результаты заключаются в слезем:

1. При геоморфологическом изучении тектонических форм рельефа )й части Дальнего Востока в районе Хинганскогс оловорудного мес-)ждения впервые выявлена подвижная блочная структура I— IV ран-

реально отражающая современные геодинамические процессы в зем-коре.

2. В результате анализа новейших движений и сейсмической ак- • юсти исследуемой'территории установлено, что на региональном ше ее геодинамика опрэделяется условиями тектонического разви-Буреинского кристаллического массива, а рассекающий его Хия-:кий разлом является ведущим для района локализации оловорудных

месторождений. Проведенным кинематическим анализом Хннганского разлома (с учетом механизмов очагов) обоснован современный ре гаи нагружения земной коры и восстановлено региональное поле напряжс ний, характеризующееся сдвиговым типом и преобладающим сжатием I субстратном направлении.

3. Для оценки напряженного состояния массива горных пород месторождения Сна локальном уровне) предложен принцип, основанш на учете закономерностей распределения локальных напряжений в зс влияния крупного активного тектонического нарушения. С использо] нием данного принципа разработана геодинамическая модель Хннганского месторождения, согласно которой главные нормальные напряж; ния в пределах шахтного поля распределены следующим образом: максимальные {б() - действуют субгоризонтально в запад-юго-запа, ном направлении; в этой же плоскости действуют минимальные (¿/5) напряжения, а ось промежуточных {бг) - субвертикальна.

4. Комплексными экспериментальными исследованиями определе: параметры поля напряжений массива Хннганского месторождения, по, твердившие характер и ориентировку осей прогнозируемого поля на: жений, в котором величины главных нормальных напряжений на нижн: горизонтах (глубина 570. . .650 м) характеризуется значениями:

б.\ -2,5... 3,0 ¡)'Н (в среднем 50 МПа); <« б3 - #Н-15... 20 МП (принимается 20 МПа).

5. Для достоверного выявления в пределах шахтного поля под ных границ блоков и дифференциации их по степени потенциальной роопасности предложен критерий тектонической активности разлома вщиочайиий, наряду с изучением тектонических форм современного льефа по топографическим картам и аэрофотоснимкам и анализом те нической нарукеиности в подземных горных выработках,' учет особе костей геологического строения массива н действующего в ней сов менного поля напряжений.

6. Выявлены закономерности распределения напряжений в стру турно-неоднородном массиве горных пород и получены количествен?! зависимости, связывающие коэффициенты концентрации нормальных ( и касательных (Кг) напряжений в зоне влияния породных контактов основными природными факторами, что позволяет оценивать уровень характер действующих в массиве напряжений с учетом особенностей геологического строения месторождения.

7. О учетом влияния тектонической структуры месторождения составлены погоризонтные прогнозные карты напряженного состоят;

массива горних пород, позволяющие районировать низшие удароопасные горизонты рудника по степени потенциальной удароопасноети.

8. Выявленные положения и закономерности распределения напряжений в структурно-неоднородном массиве горных пород интегрированы в достаточно универсальный метод прогнозирования полей напряжений в сложноструктурных удароопасных месторождениях.

9. С учетом установленных параметров по.:я напряжений массива Хинганского месторождения определены основные элементы для разработки мер безопасности по управлению горным давлением: рациональная ориентировка (в БЮЗ направлении) и наиболее устойчивые формы поперечного сечения выработок, при которых достигается минимальная концентрация напряжений в приконтурной зоне. Предложены более безопасные варианты сбоек горних выработок и их проведения в зоне влияния геодинамически активных разломов. Определен необходимый минимум защитных и противоударных мер при ведении горных работ на участках массива с различной категорией удароопасности.

10. На основе выявленных закономерностей распределения напряжений в конструктивных элементах применяемых систем разработки установлено, что минимальная концентрация напряжений в краевых частях массива обеспечивается:

- ориентацией подготовительных выработок по направлению действия бтах ;

- расположением буровых подэтажных выработок на расстоянии не менее 10 м от конечного контура очистной камеры;

- отбойкой' подэтажей одновременно на всю высоту блока без образования выступов;

- первоочередной отработкой руд с относительно более низкими упругими характеристиками.

11. По результатам выполненных исследований разработаны введенные в действие "Временные ушзания по ведению горных работ на Хин-ганском месторождении, склонном к горным ударам"

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мамаев 1а А. , Рассказов И. КХ Исследование напряженно-деформированного состояния массивов горных пород на месторождениях Дальневосточного экономического региона//Колыма. -1988. -М 10. -С. 18-20.

2. Рассказов Л. Ю. Влияние блоковой структуры Хинганского ( торождения на напряженное состояние породного массива//П респу( ликанский семинар: Проблемы разработки полезных ископаемых в у< виях высокогорья: Тез. докл. -Фрунзе: ФПИ, 1990. -С. 65-66.

3. Рассказов И. Ю. Влияние блочной структуры Хинганского о. рудного месторождения на условия разработки//11роблемы разработ; рудных месторождений Дальневосточного региона.-Магадан: ВНИИ-1. 1991.-С. 79-87.

4. Рассказов И. КЗ. Исследование особенностей формирования 1 напряжений в. районе Хинганского оловорудного месторождения//Ге( динамическое районирование недр.-Кемерово: КуеПИ, 1991.-!.!. 94-,

5. Временные указания по безопасному ведению горных раоот Хинганском месторождении, сююнном к горным ударам/' Берман Е. П Курсакин Г. А. , Рассказов И. Ю. и др./'/ММ СССР ЦНШОлово, ИГД ДЭ СССР.-Новосибирск, 1991.-50 с.

6. Рассказов И. Ю. , Курсакин Г. А. , Берман Б. И. , Желнов А. И. Палачев А. М. , Кузнецов К А. Динамические проявления горного давления на Хинганском месторождении//Горный журнал. -1992. -М 3. С. 56-61.

7. Рассказов И. Ю. , Курсакин Г. А. Влияние тектонической структуры месторождения на характер напряженного состояния маа ва горных пород//Колыма -1992. -Н 3. -С. 8-12.

/ ,