CC BY
66
--------------------------------- © И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин,
П.А. Аникин, Г.П. Потапчук, Б.А. Просекин, О.А. Исьянов, 2007
УДК 622.831.32
И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин,
Г.П. Потапчук, Б.А. Просекин, О.А. Исьянов
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА МЕСТОРОЖДЕНИИ «АНТЕЙ»
Месторождение урановых руд «Антей» входит в состав Стрельцовского рудного узла, являющегося частью Южно-Аргунского рудного района, который расположен в юговосточном Забайкалье на северо-западных склонах Аргунского хребта. Этот участок земной коры находится в пределах Центрально-Азиатского орогенного пояса, «зажатого» между Сино-Корейским и Северо-Азиатским кратонами в северо-западной части Амурской плиты, и характеризующегося высокой геодинамиче-ской активностью [1, 2]. Район месторождения имеет ярко выраженную блоковую структуру, в которой особое место занимает кальдера, представляющая собой одну из форм осадочновулканических депрессий. В ее верхнем структурном этаже залегает толща сложнодислоцированных пород чехла, в нижнем — граниты фундамента, в котором сформировалось оруденение.
Месторождение представлено в виде локализованных в зонах разломов крутопадающих рудных тел субмеридионального простирания мощностью от несколь до первых десятков метров и протяженностью по глубине до 1500 м. Вмещающими породами являются мелко- и средне зернистые лейкократовые граниты, а также биотитовые граниты и гранитогнейсы. Форма гранитных тел жильная, реже линзообразная.
Основными структурными элементами месторождения «Антей» являются сближенные в пространстве субпараллельные сложно построенные зоны разломов 160 и 13. Они имеют встречные падения и на глубине 750 м практически сливаются. Зона разлома 160 является основной рудоконтролирующей и рудовмещающей и со-
стоит из серий швов север-северо-восточного простирания (по азимуту 25-30о) и крутого падения. Швы выполнены пакетами глинки трения мощностью до 1 м и сопровождаются зонами повышенной трещиноватости мощностью до первых десятков метров.
Практически все разновидности пород месторождения проявляют склонность к упругому деформированию и хрупкому разрушению в динамической форме. К наиболее удароопасным породам относятся лейкократовые граниты, предел прочности которых на одноосное сжатие (ст сж) в среднем изменяется от 180 до 250 МПа, модуль Юнга (Е ) — от 59,3 до 68,3 ГПа.
По результатам натурных измерений установлено, что в гранитах фундамента действует неравнокомпонентное поле напряжений, в котором преобладают горизонтальные сжимающие напряжения, наибольшие из которых в 1,5—2,5 раза превышают гравитационную составляющую от веса налегающей толщи пород [3], что указывает на определяющее влияние тектонических сил в формировании естественного напряженного состояния.
Для разработки месторождения в качестве основной применяется система разработки нисходящими горизонтальными слоями с закладной выработанного пространства твердеющими смесями. В зависимости от мощности рудного тела слои отрабатываются одной или несколькими заходками непосредственно под искусственной кровлей закладочного массива. Высота этажа между горизонтами 60 м. В соответствии со сложившимся в последние годы на руднике порядком подготовки и отработки запасов, рудный массив делится на два полублока, отрабатываемых одновременно по простиранию рудного тела. Постепенно уменьшающийся в процессе добычных работ рудный целик разгружается путем камуфлетного взрывания скважинных зарядов, размещаемых в вертикально пробуренных нисходящих скважин диаметром 105 мм через 2,5 м).
Очистные работы на месторождении достигли глубины 700 м (на XI горизонте). На ниже лежащих горизонтах ведутся горноподготовительные работы.
На месторождении «Антей» первые признаки удароопасности были отмечены еще на стадии строительства при проходке стволов и разведочно-подготовительных выработок [3]. Так, в 1976-77 гг. динамическое заколообразование и стреляние гранитов неоднократно отмечалось при проведении разведочных выработок на Х
горизонте при глубине 640 м, а также при проходке ствола 12-В, начиная с глубины 570 м. По мере углубления ствола частота и интенсивность этих явлений закономерно увеличивались. В последующие годы динамические проявления горного давления в форме стреляний и интенсивного заколообразования пород стали происходить при ведении горноподготовительных и очистных работ на VII горизонте, расположенном на глубине 410 м от дневной поверхности, и нижележащих горизонтах.
С переходом горных работ на более глубокие горизонты и увеличением выработанного пространства (в настоящее время площадь подработки превышает 100 тыс. м2) начал происходить рост числа и интенсивности динамических проявлений горного давления (рис. 1).
Так, если до 2000 гг. на месторождении отмечалось не более 8 случаев динамических проявлений горного давления в год, то в 2004-05 гг. ежегодно регистрировалось более 100 динамических явлений. В горных выработках горное давление в основном проявляется в форме интенсивного заколообразования при их проведении, в виде разрушения искусственной кровли очистных заходок, щелчков и толчков внутри массива без выброса горной массы (рис. 2). Наибольшее число динамических проявлений в последние годы отмечено в зоне влияния очистных блоков 1010 и 1114.
Общее число и соотношение различных форм динамических проявлений горного давления, зарегистрированных за весь период отработки месторождения «Антей» иллюстрирует диаграмма на рис. 2.
Одной из основных форм динамического проявления горного давления в последние годы являются толчки, которые в отдельных случаях приводили к разрушению краевых частей массива. Интенсивное толчкообразное деформирование массива, сопровождающееся сейсмическими эффектами, является признаком геодинами-ческой активизации массива горных пород в результате техногенного воздействия [4]. Это явление, получившее название техногенная сейсмичность, наблюдается на участках интенсивного ведения горных работ при больших объемах выработанных пространств [5].
100 -
80 -
65
а 60 -
с
О
со
н
и
Ї 40 -
7б4444*7631П^П
П.П.п.п.п,п,П,Д.п.п.п.П.И.П.И...
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Годы отработки
Рис. 1. Количество динамических проявлений горного давления на месторождении «.Антей» по годам отработки
0
Интенсивное заколообразование (случаев 186); 41%
Стреляние (случаев 5); 1,2%
Звуковое проявление (случаев 156); 35%
Толчок (случаев 100); 22%
Горный удар (случаев 2); 0,5%
Микроудар (случаев 3); 0,75%
Рис. 2. Соотношение различных форм динамических проявлений горного давления за весь период отработки месторождения «Антей»
Толчки в глубине массива (число которых в 2004 и 2005 годах составило соответственно 28 и 39 случаев) нередко сопровождаются обрушением заколовшихся плит (размерами от 1 до 1,5 м3) с образованием новых заколов и разрушением закладки, резким сильным звуком, пылеобразованием и сотрясением массива. В отдельных случая происходит разрушение почвы выработок иногда с поднятием рельсовых путей, что указывает на определяющее влияние геодинамически активного тектонического нарушения 160, вдоль шва которого могут происходить подвижки, инициируемые интенсивным техногенным воздействием.
Наиболее интенсивное разрушение закладки происходит в зоне влияния фронта очистных работ на расстоянии до 20 м, и приурочено большей частью к сопряжению выработок.
На высокий уровень действующих тектонических напряжений, вызывающих разрушение закладочного массива, указывают результаты шахтных наблюдений за деформационными процессами с применением реперных станций, оборудованных на VII, VIII, IX, X и XI горизонтах.
В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением глубины отработки возрастает интенсивность сжатия закладочного массива. Анализ экспериментальных данных показывает, что реперы испытывают как вертикальные, так и горизонтальные перемещения. Вертикальные перемещения являются в основном восходящими и характеризуются невысокими (не более 1015 мм) значениями на концах профильных линий, расположенных на расстоянии 50 м от центра рудного тела, и более высокими значениями (до 97 мм в орту 6а-710) в зоне отрабатываемого рудного тела, приуроченного к тектоническому нарушению 160. При этом наблюдается поднятие западного крыла разлома относительно восточного.
Суммарная величина конвергенции бортов выработанного пространства, которая наблюдается в течение длительного (более 10 лет) времени, по отдельным реперным линиям превысила величину 300 мм (рис. 3).
В последние годы наблюдается изменение интенсивности деформационных процессов: уменьшение почти в 2 раза по сравнению с предыдущим периодом сжимающих деформаций на VII-IX горизонтах и резкое их увеличение на X и XI горизонтах (в орту 6а-1110 горизонтальные перемещения реперов
Годы отработки
Рис. 3. Сжатие закладочного массива по разведочной линии 633 по данным реперных станций в ортах: 6а-710 (1), 6а-810 (2), 6а-910 (3), 6а-1010 (4), 6а-1110 (5)
составили за год 127 мм). При пересчете относительных деформаций на ширину закладочного массива наибольшая относительная величина деформаций составила 77 мм/м (орт 6а-1014).
Наиболее мощное динамическое явление, которое было классифицировано как горный удар горно-тектонического типа, было зарегистрировано 14.05.2005 г. Удар, произошедший в рудном целике блока 6А-1114 на уровне 13 слоя, сопровождался резким звуком, образованием воздушной волны, сейсмическим эффектом (сопоставимым с взрывом 10 тонн ВВ), ощущавшимся в здании поверхностного комплекса рудника. В результате горного удара были разрушены борта и кровля уклона с 4 на 5 слой, сопряжения и искусственная кровля заходок 4 и 11 слоев, борта рудоспуска 6А-1114/1, разрушено крепление выработок.
Всего было разрушено более 160 п.м. выработок, объем выброшенной породы превысил 50 м2, объем разрушенной искусственной кровли составил около 200 м2. В орту 6А-1014 в районе тектонического шва 160 произошло поднятие (до 5 см) бетонной до-
рожки и рельсового пути. После горного удара установлено сближение бортов выработанного пространства по ортам 6А-1014 и 6А-1114, соответственно на 15 и 17 мм.
Причиной мощного динамического проявления горного давления с высокой степенью вероятности явилась высокая концентрация напряжений в недоразгруженном целике верхней части блока 6А-1114, обусловленная его подработкой и влиянием тектонических нарушений 160 и 13, вблизи швов которых отмечены смещения как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Последние свидетельствуют о развитии процесса сдвижения ограниченного разломами 160 и 13 тектонического блока, вызывающего дополнительную пригрузку разрабатываемого массива горных пород. Об активизации геодинамических процессов на данном участке, свидетельствуют участившиеся здесь в последнее время случаи толчков и тресков в глубине массива.
Комплексный анализ условий и факторов динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» дал основания для следующих выводов:
- в формировании удароопасных геомеханических ситуаций участвуют как природные, так и техногенные факторы, из которых основными являются влияние тектонических нарушений (особенно рудоконтролирующего разлома 160) и контактов отличающихся по упругим и прочностным свойствам горных пород, а также наличие различного рода целиков и влияние выработанного пространства;
- проявления внешних признаков удароопасности (шелушения, интенсивного заколообразования) имеют во времени незакономерный характер, а более сильные динамические явления в основном происходят спустя определенное время после взрывных работ и, как правило, приурочены к зонам влияния формирующихся внутриблоковых целиков;
- значительное увеличение объемов выработанных пространств приводит к возникновению качественно новой геомеха-нической ситуации: на ранних этапах освоения месторождения наибольшее число (более 80 %) динамических проявлений отмечалось в процессе проходки горнокапитальных и подготовительных выработок, а в последние годы они все чаще происходят под влиянием очистных работ;
- с увеличением глубины и масштаба отработки усиливается влияние на удароопасность геодинамически активных разломов, и изменяются форма и характер динамических проявлений горного давления: все большее распространение получают толчки в глубине массива, некоторые из которых сопровождаются выделением значительной сейсмической энергии.
Для прогнозирования динамических проявлений горного давления и обоснования комплекса эффективных противоударных мероприятий необходимо наряду с расчетными методами применять методы и средства инструментального дистанционного контроля удароопасности.
В последние годы для контроля горного давления все большее распространение получают геофизические методы, из которых в качестве достаточно перспективного следует выделить геоакусти-ческий метод. Его важным достоинством является возможность наблюдений за развитием процесса формирования очагов разрушения непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза.
Для контроля удароопасности на месторождении «Антей» с 2006 г. используется разработанная в ИГД ДВО РАН многоканальная цифровая автоматизированная геоакустическая система геоме-ханического мониторинга «Prognoz-ADS» [6]. Система состоит из подземной и поверхностной частей и включает в себя цифровые приемные преобразователи, объединенные в одном блоке ретранслятор, источник питания и синхронизатор, многопортовый расширитель RS-485 и центр управления системой на базе персонального компьютера.
По результатам измерений строятся карты изолиний акустической активности, отражающие процесс перераспределения напряжений в массиве под влиянием горных работ. Одна из таких карт, построенная для одного из участков массива месторождения «Антей» показана на рис. 4. Здесь 21.11.2006 г. зарегистрирован сильный толчок, которому предшествовало 18 акустических событий, зарегистрированных системой контроля в течение 30 минут до динамического проявления.
С накоплением представительного объема экспериментальных данных для выявления закономерностей формирования удароопасности и установления надежных критериев
0 1 2 Д9#г 3 4 V21.11.06r
состояния массива горных пород. Объем очаговой зоны, в пределах которой отмечалась повышенная акустическая активность, составил 250 м3.
Анализ пространственно-временных закономерностей распределения очагов акустической эмиссии (АЭ) дает возможность оценить особенности и общий характер геомеханических и геодина-мических процессов в разрабатываемом массиве горных пород. Участки массива с высокой плотностью пространственного распределения очагов АЭ, так называемые акустически активные зоны, после дополнительного исследования (в том числе локальными методами) дифференцируют по степени потенциальной удароопас-ности.
Состояние массива в пределах акустически активных зон достаточно объективно отражает совокупность таких прогностических признаков как: концентрированность очагов и степень локализации источников АЭ, повторяемость периодов акустической активности и ее незатухающий характер, скорость и направление миграции очагов, близость очаговой зоны к обнажению и др., качественноколичественные значения которых экспериментально устанавливаются для условий конкретного месторождения или его части [7].
В настоящее время формируется банк данных о параметрах акустической активности разрабатываемого массива месторождения «Антей». С накоплением представительного объема экспериментальных данных для выявления закономерностей формирования удароопасности и установления надежных критериев состояния массива горных пород. Содержащаяся в банке данных и постоянно пополняющаяся информация является основой для осуществления текущего и перспективного прогноза удароопасности участков шахтного поля рудника.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парфенов Л.М., Берзин Н.А., Ханчук А.И. и др. Модель формирования оро-генных поясов Центральной и Северо-Восточной Азии// Тихоокеанская геология. - 2003. - Т. 22. - № 6. - С. 7-41.
2. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И., Натапов Л.М. Тектоника литосферных илит территории СССР. - М.: Недра,1990. - кн. 1. - 326 с.; кн. 2. - 334 с.
3. Поляков А.Н. Прогноз удароопасности горнотехнических ситуаций на перспективные глубины разработки// Горный журнал. - 1993. - № 4. С. 51-56.
4. Петухов И.М., Работа Э.Н., Батугина И.М. Научные основы управления толчкообразным деформированием блочного массива// Управление удароопасно-стью массива горных пород. - Л.: ВНИМИ,1987. - С.4-18.
5. Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика// Сборник докладов Международного совещания (Кировск, 14-16 апреля 2004). - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН,2004. - Ч. 1-2.
6. Акустический измерительно-вычислительный комплекс для геомеханиче-ского мониторинга массива пород при ведении горных работ/ И.Ю. Рассказов, Г.А. Калинов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов// Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика: Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. - Т. 1. -М.: ГЕОС, 2005. - С. 351-354.
7. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках. - Владивосток: Дальнаука,2001. - 169 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, заместитель директора по научным вопросам,
Саксин Б.Г. - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник,
Аникин П.А. - младший научный сотрудник,
Потапчук Г.М. - младший научный сотрудник,
Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск
Просекин Б.А. - главный маркшейдер, ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение», г. Краснокаменск,
Исьянов О.А. - начальник участка рудника «Глубокий» ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение».
