CC BY
45
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ДВИЖЕНИЙ ПОРОДНОГО МАССИВА НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ГОРНОЙ ШОРИИ
Аркадий Васильевич Леонтьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
Татьяна Валентиновна Лобанова
Сибирский государственный индустриальный университет, Научно-исследовательский центр «Г еомеханика», 654007, Россия, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, доктор технических наук, руководитель центра, тел. (3843)78-43-32, e-mail: lobanova_tv@sibsiu.ru
Рассматриваются основы геомеханического обеспечения подземной отработки месторождений в геодинамически активном регионе. Основное внимание уделено параметрам процесса сдвижения и закономерностям деформирования охраняемых объектов промплощадок на подрабатываемых территориях.
Ключевые слова: массив горных пород, смещения, массовые взрывы, разломы.
DEFORMATION MONITORING IN IRON ORE BODEIS AND HOST ROCKS IN GORNAYA SHORIA
Arkady V. Leontiev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-06-36, e-mail: leon@misd.nsc.ru
Tatiana V. Lobanova
Geomekhanika Research Center, Siberian State Industrial University, 654007, Russia, Novokuznetsk 42 Kirova St., Dr Eng, Chief Executive, tel. (3843)78-43-32, e-mail: lobanova_tv@sibsiu.ru
Under consideration are the principles of geomechanical support of underground mineral mining in a geodynamically active region, with the peculiar attention given to the parameters of displacement and mechanisms of deformation of the protected objects on the mine industrial sites situated in undermined areas.
Key words: rock mass, displacement, large-scale blasting, faults.
Горную Шорию (юг Кемеровской области, Россия) представляют железорудные месторождения Тельбесского и Кондомского районов. К месторождениям Тельбесского района относятся Сухаринское, Темирское и Казское, к Кондомской группе - Таштагольское и Шерегешевское. Наиболее крупными в Горной Шории являются Таштагольский, Шерегешский и Казский рудники.
Отличительная особенность железорудных месторождений состоит в том, что их отработка осуществляется в условиях повышенной опасности проявления динамических событий. Наиболее опасным по количеству
сейсмических событий и их интенсивности является Таштагольское месторождение. Здесь уже на глубине 300 м наблюдались стреляния горных пород, а в настоящее время при работах на глубине 500 м и более имеют
7 9
место горные удары в том числе большой разрушительной силы (10 - 10 Дж), вызывающие повреждение горных выработок на большой площади, остановку технологических процессов и, в конечном итоге, приводящие к существенным экономическим потерям. В период с 1959 г. по настоящее время на месторождении зафиксировано более 23 тыс. динамических проявлений горного давления, из них 20 собственно горных ударов.
Обстановка в регионе месторождений усугубляется тем, что Кемеровская область и Хакассия соседствуют с Алтае-Саянской горной провинцией, отличающейся повышенной сейсмоактивностью. В восточной ее части постоянно регистрируются землетрясения с магнитудой М=>3.5. Кроме того, процесс добычи предполагает проведение как технологических, так и массовых взрывов. Их гипоцентры достигают глубин 300 - 700 м, а заряды взрывчатых веществ достигают 700 т. Исследования показывают, что сейсмические воздействия взрывов на массив превосходят влияние природной сейсмичности.
Таким образом, в условиях сейсмоактивности региона, масштабного недропользования и концентрации техногенной деятельности на небольшой территории, формируется геомеханическое пространство, опасное по катастрофическим проявлениям горного давления. Отсюда следует актуальность геомеханического мониторинга за состоянием природной среды с целью прогнозирования и предупреждения негативных явлений, сопровождающих производственный процесс.
В целях геомеханического обеспечения подземной отработки месторождений и обоснования безопасной эксплуатации охраняемых объектов на месторождениях ведется контроль движений земной поверхности и подрабатываемых скальных массивов.
Шерегешевский геодинамический полигон. Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности на месторождении ведутся с 1964 г. В настоящее время постоянные наблюдательные станции заложены на всех действующих участках шахты - «Главный», «Болотный», «Новый Шерегеш», «Подрусловый» (рис. 1). Эти станции представлены системой из 16 профильных линий, по которым наблюдается около 190 реперов. Оценки сдвижения горных пород в районах охраняемых объектов (сооружения промплощадки рудника, ручей Большая речка, жилые дома) в периоды производства массовых взрывов и происходящих после этого перераспределений напряжений в налегающих и боковых породах проводятся на основе многочасовых GPS-наблюдений по характерным пунктам данных профильных линий.
Таштагольский геодинамический полигон. Инструментальный контроль развития процессов сдвижения горных пород и земной поверхности при отработке Таштагольского месторождения осуществляется в мониторинговом режиме на геодинамическом полигоне, созданном в 60-80-е
годы прошлого столетия. Сегодня полигон содержит (рис. 2): 11 профильных линий на Восточном участке, состоящих из 280 грунтовых реперов, которые заложены на земной поверхности, в породах висячего, лежачего боков (вкрест простирания рудных тел) и на флангах рудной зоны (по простиранию); профильную линию вкрест простирания Юго-Восточного участка из 50 реперов; около 240 контурных реперов, размещенных в кровле и почве горных выработок, и 45 станций глубинных реперов в рудном массиве и вмещающих породах на 6 горизонтах шахты на Восточном, ЮгоВосточном и Северо-Западном участках.
Рис. 1. План наблюдательных станций за сдвижением земной поверхности Шерегешевского месторождения: I, II, III, IV, V - проекции рудных тел участков «Главный», «Болотный», «Новый Шерегеш», «Подрусловый», «Новая Промплощадка»; 1, 2, 3, 4, 5 - границы, соответственно, провала, зоны обрушения, зоны трещин, зоны опасных сдвижений, мульды
сдвижения; л. I-! - название профильной линии
В традиционных геодезических наблюдениях за сдвижением земной поверхности и массива горных пород используются точные нивелиры с компенсаторами (Н-3К, АТ-20Э), жесткие отвесы с уровнями,
компарированные рулетки (РК-50, ^^^-650, TSP 50/2) и нивелирные рейки с
уровнями. Данный инструментарий позволяет проводить измерения сдвижений участков массива, соизмеримых с размерами шахтного поля.
О НС- 4И 6311 №0
Рис. 2. Схема геодинамического полигона для наблюдения активности разломов в районе Таштагольского месторождения: 1, 2, 3, 4, 5 - разломы, соответственно, «Холодный», «Кондомский», «Нагорный», «Шахтерский», «Диагональный»; 6 - субмеридиональное тектоническое нарушение;
7, 8, 9, 10 - шахтные стволы, соответственно, «Северный», «Ново-Капитальный», «Западный», «Южный»; № 4-5, № 7, № 13-14 -проекции очистных блоков на план горных выработок гор. -280 м; пр.л. -профильные линии; АБК - административно-бытовой комбинат шахты
В наблюдениях за сдвижениями земной поверхности в районе тектонических разломов используется GPS технология и оборудование.
Съемка ведется по десяти направлениям, охватывающим все разломы и субмеридиональное тектоническое нарушение. Комплекс оборудования состоит из четырех приемников фирмы Trimble серии 4600 LS. За базовую точку, относительно которой выполняются измерения, взят пункт полигонометрии (п.п.) 1111, находящийся в Юго-Восточном
геодинамическом блоке вне зоны влияния горных работ.
Мобильные приемники перемещаются по пунктам наблюдений (в районе разломов) при длине базовых линий от 70 до 2200 м. В каждом пункте накопление данных от спутников производится в течение 3 - 9 часов в быстро-статическом режиме, с периодичностью съема показаний 15 сек. Полученные данные обрабатываются по стандартной методике. Далее вычисляются координаты X, Y, Z, расстояния и превышения между реперами. Как правило, ошибка при определении положения реперов не превышает 2 мм в плане и 3 мм по высоте.
Для примера рассмотрим фрагменты наблюдений на Таштагольском полигоне по исследованию влияния массовых взрывов на деформирование земной поверхности в районах охраняемых объектов и глубинных разломов. Так при взрыве 11.06.2012 г. блока № 7 в этаже (-280) - (-210) м (масса заряда 129.6 т ВВ) сейсмостанцией шахты было зарегистрировано 156 толчков с энергетическим классом от 1.0 до 6.3. Графики смещения GPS-пунктов в 20-ти минутные интервалы времени (в первые 6 часов после взрыва) показали уровень и изменчивость смещений во времени как по величине, так и по направлению смещений.
Данные графики были сопоставлены с аналогичными после массового взрыва 05.06.2011 г. при обрушении западной части блока № 4-5 в этаже (210) - (-140) м (масса заряда 163.0 т ВВ), который ощутимо проявился на земной поверхности. Тогда в первые шесть часов после взрыва сейсмостанция зарегистрировала 82 толчка с энергетическим классом от 1.0 до 5.5. Величины смещений в период взрыва блока № 7 оказались в 2 - 2.5 раза меньшими, чем после взрыва блока № 4-5, хотя энергетический отклик массива, выраженный графиком класса сейсмособытий, оказался более существенным. При этом оказалось, что графики сдвижений контрольных реперов, расположенных в различных частях зоны влияния горных разработок и на различном удалении от места взрыва, в основном повторили друг друга. Этот факт указывает на определяющее влияние процессов перераспределения напряжений в массиве горных пород на развитие смещений земной поверхности после взрыва.
По аналогичной методике были выполнены наблюдения при взрыве блоков № 13-14 и подсечки блока № 12 в этаже (-350) - (-280) м 15.09.2013 г. (масса заряда 149.6 т ВВ). Одновременно со взрывом зафиксирован микроудар и далее около 100 сейсмособытий с энергетическим классом от 1.0 до 6.4.
Отмечено, что смещения в период массового взрыва блоков № 13-14 как до, так и после него меньше таковых при массовых взрывах в 2011 и 2012 гг., в то время как энергия взрыва и длительность сейсмического воздействия на
породный массив были на порядок выше. Максимальные смещения по реперу +13 профильной линии «Д - Д» после взрыва составили 22 - 28 мм, что вполне закономерно в связи с более близким его расположением к району взрыва. Минимальные смещения составили 12 - 13 мм. Они зафиксированы на разломе «Холодный» (репер +20 профильной линии «Д -Д») в районе АБК шахты. Таким образом, воздействие данного взрыва на конструкцию здания оказалось незначительным.
Результаты подобных наблюдений в обобщенном виде систематически передаются руководству предприятия, которое использует их при планировании горных работ.
© А. В. Леонтьев, Т. В. Лобанова, 2014
