CC BY
29
ний обеспечивается повышением полноты учета взаимодействия напряжений и деформаций в массиве, несущих свойств закладочных смесей и сейсмики горных процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голик В.И., Исмаилов Т. Т. Управление состоянием массива. Учебное пособие УМО - М.: 2006.
2. Голик В.И., Комащенко В.И. Природоохранные технологии управления состоянием массива на геомеханической основе. Учебное пособие УМО. - М.: КДУ. 2010.
3. Голик В.И. Подземная разработка месторождений. Учебное пособие УМО. - М.: Инфра-М, 2013.
4. Голик В.И. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Учебное пособие УМО. - Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2013.
5. Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и крупных строительных площадок. М.: Наука, 2009. -350 с.
6. Заалишвили В.Б. Физические основы сейсмического микрорайонирования. - М.: ОИФЗ РАН, 2000. - 367 с.
7. Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Бурдзиева О.Г. Определение сейсмического воздействия на основе конкретной инженерно-сейсмологической ситуации района «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений», 2010, №1.
УДК 504.55.054:662 (470.6) © В.И. Голик, В.Б. Заалишвили,
О.Г. Бурдзиева, 2013
ПРИРОДА НАВЕДЕННОЙ СЕЙСМИКИ ПРИ ДОБЫЧЕ РУД
Представлена информация об управлении геомеханикой массивов, путём регулирования напряжений и соответствующих им деформаций с использованием свойств пород и массивов. На примере Северного Кавказа показаны факторы повышения катастрофических процессов. Рекомендованы способы предотвращения горных ударов. Определены безопасные условия эксплуатации с учетом сложных гравитационных, тектонических и сейсмических свойств литосферы.
Ключевые слова: геомеханика, напряжение массива, штамм, порода, регулирование, тектоника, сейсмические поля, искусственное землетрясение, литосфера, развитие технологии.
Массив горных пород характеризуется совокупностью напряжений, формирующихся в недрах силами гравитации, движениями земной коры и процессами денудации. При этом составляющие тензоров фактических напряжений могут значительно превышать составляющие тензоров, определенных из условий гравитации [1].
Техногенное вмешательство в недра характеризуется вторичными напряжениями, возникающими в окрестностях выработок, скважинах, целиках и крепи. Распространенной формой проявления горного давления является деформирование пород с потерей ими устойчивости и возникновением динамических явлений.
Согласно классической гипотезе горное давление определяется весом столба пород до земной поверхности с основанием, равным пролёту выработки.
М.М. Протодьяконов считал, что объём влияющих на выработку пород представляет собой параболический свод, высота которого связана с пролётом выработки соотношением, где участвует коэффициент крепости пород. Расчёты по этой схеме дают приемлемые результаты для глубин до 200-300 м без учета тектонических напряжений.
Г.Н. Савин объяснял податливость крепи под влиянием горного давления с позиции совместности перемещений контактирующих друг с другом точек поверхности выработки и крепи.
Г.Н. Кузнецов сформулировал механизм работы крепи в режиме заданной нагрузки - деформации и концепцию шарнирно-блочного строения пород в кровле выработок.
Е.И. Шемякин определял величину горного давления на крепь, как массу действующего на нее объёма сыпучей породы.
В однородном и изотропном массиве без горных выработок с действием лишь гравитационных сил существуют начальные нормальные напряжения. При проведении горных выработок напряжения изменяются. При большой концентрации они превышают пределы прочности пород, вследствие чего породы или пластически деформируются или хрупко разрушаются.
При прочих равных условиях деформации с глубиной разработки увеличиваются. Устойчивость выработок обеспечивается только в том случае, когда в породах кровли при достаточной реакции силы распора образуется жесткая трех- шарнирная арка (рис. 1).
Рис. 1. Условия устойчивости арки, загруженной массой пород внутри свода: ( и ( - горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков; у -объемный вес пород; И- высота предельного свода естественного равновесия пород; Ь - максимально допустимая ширина пролета; А,Б -шарниры
Деформация или изменение относительного положения частиц пород происходит в результате действия естественных статических (горное давление) или динамических нагрузок (тектонические деформации), механического нагружения, взрывных работ и иного воздействий.
Деформации подразделяют на упругие, исчезающие после прекращения нагрузки, пластические, если после снятия нагрузки они не исчезают, и предельные, сопровождающиеся разрушением массива.
Линейные деформации оценивают по отношению приращения линейного размера образца к исходному размеру. Сдвиговые деформации определяются величиной угла сдвига грани образца. Объёмные деформации представляют собой комбинацию простейших видов деформации.
Динамические явления в массиве представляют собой внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движение пород, газов или жидкостей, сопровождающееся динамическим эффектом: горные удары, выбросы угля, пород и газа, прорывы газа, воды, плывунов, обрушения, высыпания и отжим горных пород.
Управление геомеханикой массивов осуществляется путем регулирования напряжений и соответствующих им деформаций с использованием свойств пород и массивов [2].
Роль крепи сводится к предотвращению чрезмерного развития неупругих деформаций. При достаточно большой жёсткости крепь работает в режиме заданной деформации. При малой жёсткости крепи её смещения велики, поэтому породы отслаиваются от окружающих пород, нагружая крепь в режиме заданной нагрузки.
Слои кровли рассматривают как балки, плиты или шарнирно-блочные системы, загруженные собственной массой и пригруз-кой вышележащими отслаивающимися слоями.
Шарнирно-блочная система состоит из блоков пород кровли, которые не деформируются, а поворачиваются друг относительно друга или взаимно проскальзывают. Поведение шарнирно-блочных систем и их взаимодействие с крепью рассчитывают методами строительной механики, а давление обрушенных пород и закладочных материалов на крепь - методами механики сыпучей среды.
Целью управления массива в процессе добычи руд является использование остаточной прочности технологически разрушенных пород. Массив рассматривается как дискретная среда, образованная несущими балками, плитами или шарнирными блоками. Устойчивость массивов определяется уровнем возникающих в них природных гравитационных и тектонических процессов и технологически наведенных напряжений, которые имеют волновую природу и могут быть оптимизированы по экономическому фактору [3].
Управление состоянием горных пород осуществляется путём оптимизации формы, параметров и времени существования обнажений пород и изменения физико-механических свойств пород по критериям экономичности и безопасности.
Состояние природных и техногенных массивов оценивают путем сопоставления величины фактических и предельных напряжений, измеряемых методами геофизики [4].
При подземной разработке месторождений массив поддерживают в устойчивом состоянии и погашают после завершения добычных работ.
При открытой разработке месторождений устойчивое состояние обеспечивается уменьшением высоты и крутизны уступов или укреплением массива.
Управление горным давлением преследует цель ограничить смещение контуров выработки и реализуется по средством ограничения интенсивности проявлений горного давления в горных выработках. Одним из способов управления горным давлением является расположение выработок в разгруженных от напряжений зонах.
Опасность деформации массивов и земной поверхности над ними уменьшают технологическими способами, например, закладкой выработанного пространства твердеющими материалами (рис. 2) и хвостами подземного выщелачивания (рис. 3).
При подземной разработке рудных месторождений управление горным давлением чаще всего осуществляется путём оставления целиков. При открытой разработке задачей управления горным давлением является сохранность углов откосов c помощью железобетонных свай, анкеров, цементации и нагнетания растворов вяжущих веществ, нанесением бетона или полимерных плёнок. Укрепление техногенных массивов осуществляется внесением укрепляющих добавок.
Перевод массива в неустойчивое состояние происходит за счет феномена использования природных сил тяжести для отделения от массива и перемещения в заданном направлении пород взрывным, механическим, гидравлическим и другими способами.
Рис. 3. Технология разработки с образованием хвостов выщелачивания
Упрочнение горных пород осуществляется сшивание пород металлическими, железобетонными, сталеполимерными, поли-мербетонными анкерами, цементацией, глинизацией, битумизацией пород.
Инженерно-геологические процессы: возникновение оползней, деформация пород, денудация и т.п. развиваются под влиянием техногенных факторов.
Свойства пород изменяются во времени и в зависимости от характера прикладываемых нагрузок. Сложность учёта происходящих в массиве явлений и несовершенство расчётных методов приводят к необходимости завышать коэффициент надежности, представляющий собой отношение удерживающих и разрушающих сил. С увеличением коэффициента надежности затраты на создание породных сооружений и их эксплуатацию возрастают, поэтому их величину стремятся уменьшить за счет реализации инженерных решений [5].
Перевод массива в устойчивое состояние осуществляется путём оптимизации параметров устойчивости пород, что позволяет перевести массив в состояние объемного сжатия и использовать его остаточную несущую способность (рис. 4).
Управление состоянием массива сводится к регулированию технологически обусловленных гравитационных, тектонических
а б в
Рис. 4. Повышение устойчивости массива переводом его в условия объемного сжатия: а - наклон стенок камер; б - опережающая отработка; в - сшивание пород
и сейсмических явлений в массивах месторождений полезных ископаемых, поэтому совершенствование системы управления может быть достигнуто в результате оптимизации взаимодействия физико-химических процессов, происходящих в пределах месторождений и в их окрестностях.
Вовлечение в разработку значительных по площади и объемам участков литосферы сопровождается наведенным сейсмическим эффектом, по силе сопоставимым с природными динамическими явлениями, а сейсмические волны провоцируют динамические явления в окрестностях месторождений. Разработка месторождений в зоне активного сейсмического воздействия коррелятивно связана с геодинамическими процессами в литосфере.
Эффективность эксплуатации месторождений полезных ископаемых, наряду с другими показателями, характеризуется сейсмичностью природных и техногенных процессов, что учитывается при проектировании технологий разработки месторождений.
В горных условиях к породным массивам примыкают ледниковые массивы, которые характеризуются сползанием и сходами лавин и селей, например, катастрофический сход ледника Колка в Кармадонском и Гизельдонском ущельях Северной Осетии в 2002 г.
В результате совместного действия гравитационных, сейсмических и тектонических сил в массивах возникают напряжения, которые заставляют его деформироваться и разрушаться, если
превышают предел прочности пород. Сейсмическая опасность рудовмещающих массивов понимается, как система управления риском обусловленного технологией сейсмического колебания.
Феномен разрушения массивов объясняется сложением потенциала энергии упругого сжатия пород и энергии упругих деформаций в процессе горных работ.
Объекты горного производства занимают большую площадь и характеризуются высоким риском. Локальная сеть сейсмических наблюдений позволяет контролировать состояние массивов с достаточной чувствительностью лишь в редких случаях.
Территория Северного Кавказа является ареной современной активизации катастрофических процессов. Большая часть территории представляет собой арену формирования складчатых структур и характеризуется потерей породами прочностных свойств. Динамические явления носят катастрофический характер, что выражается смещением по разломам, возникновением рвов и трещин, и провоцируют оседание крупных блоков пород, обвально-осыпные процессы, сход селей, оползней и снежных лавин.
Увязка тектонических, гравиметрических и сейсмометрических факторов эксплуатации месторождений является важным направлением исследований проблем геомеханической безопасности разработки месторождений полезных ископаемых в сейсмических зонах.
Для решения поставленной программой природосбережения задачи на участке Садонского рудного узла Северного склона Кавказа, расположенного на территории РСО-Алания, проводятся мониторинговые исследования с целью формирования базы данных на основе использования современных методов, что позволяет уточнить количественные параметры процессов в природно-технических геосистемах.
Проблема мониторинга и профилактики опасных природных процессов на территории горнопромышленных ландшафтов должна решаться с комплексным учетом макроявлений, происходящих при разработке месторождений полезных ископаемых. Это возможно только на основе использования современных методов оценок сейсмической опасности путем фиксации напряженности, тектоники и сейсмики массивов [6].
В горной практике динамическое перераспределение горного давления при техногенном воздействии на него сопровождается мгновенным разрушением предельно напряжённой части массива, прилегающей к выработке - горным ударом. Горный удар является результатом совокупного воздействия потенциальной энергии упругого сжатия пород и энергии упругих деформаций окружающих пород. Динамический характер потери устойчивости объясняется превышением притока энергии над её поглощением.
Удароопасность оценивается на основе многолетней статистики явлений и процессов горных работ: крупность буровой мелочи, сейсмоакустические импульсы, заклинивание бурового снаряда в скважине, деление породного керна на выпуклые диски, вдавливание пуансона или индентора в забой или стенки скважины и др.
Удароопасность отдельных участков массива характеризуется величиной напряжений в зоне максимума опорного давления и расстоянием от него до выработки.
Способы профилактики горных ударов включают в себя разделение месторождения на безопасные участки, применение порядка отработки, исключающего опасную концентрацию напряжений, опережающую отработку защитных слоев и залежей, исключение целиков, нагнетание воды в пласт, применение разгрузочных скважин и др.
Крайней формой изменения состояния массивов являются техногенные землетрясения, вызываемые быстрым смещением крыльев тектонических нарушений в земной коре, обусловленные горными работами. Землетрясение происходит при длительном смещении тектонических пород, контактирующих по разлому, в противоположные стороны. Силы сцепления удерживают крылья разлома от проскальзывания и зона разлома испытывает нарастающие сдвиговые деформации. При достижении деформациями предельно допустимых значений разлом вскрывается и крылья его смещаются.
Наведенные тектонические землетрясения максимально провоцируют подземные ядерные взрывы. Так, взрывы на полигоне в штате Невада с тротиловым эквивалентом до несколько Мт инициировали тысячи толчков в течение нескольких месяцев.
Наведённая сейсмичность возникает при закачке воды в скважины при добыче нефти и газа, захоронении отходов, гидродобыче минералов. Региональные сотрясения земной поверхности вызываются обрушением подземных пустот.
Подверженность земной коры землетрясениям характеризуется распределением очагов землетрясений различного энергетического потенциала, оцениваемого магнитудой или шкалой энергетических классов, интенсивностью их проявления в баллах, частотой сейсмических событий и другими критериями.
Сейсмичность характеризуется интенсивностью динамических явлений и определяется по картам сейсмического районирования. Интенсивность землетрясений измеряется в баллах. Для её оценки используются шкалы сейсмической балльности, например, 12-балльная шкала Ы8К-64. Опасной для сооружений считается сейсмичность более 6 баллов. Повторяемость наиболее сильного землетрясения учитывается при расчёте сооружений на прочность увеличением несущей способности конструктивных элементов на величину до 30 %.
Сейсмичность уточняется по данным сейсмического районирования и микрорайонирования в зависимости от местных геологических условий и наличия локальных очагов землетрясений.
Приоритетное влияние оказывают свойства фундаментных пород. Более благоприятны скальные грунты. Интенсивность сейсмического воздействия усиливается в песчаных, глинистых, насыпных грунтах. Участки с крутизной склона более 15°, сильной нарушен-ностью пород, с осыпями, оползнями, обвалами, плывунами и селями для сейсмостойкого строительства неприемлемы. Сейсмические нагрузки зависят от сейсмичности района, характера и интенсивности движения грунтов и характеристики сооружений.
Методы определения сейсмических нагрузок основаны на использовании приближённых моделей. В статической теории сооружение рассматривается как жёсткое тело, все точки которого движутся так же, как и основание, а сейсмическая нагрузка на сооружение определяется как произведение массы на ускорение грунта при землетрясении [7].
Динамический метод рассматривает сооружение как систему с неопределенно большим числом степеней свободы. Сейсмические нагрузки определяются с учётом динамического характера
сооружения, периода и формы колебаний, распределения инерционных масс внешнего воздействия с применением акселерограмм землетрясений.
При проектировании и строительстве подземных горных объектов учитывают сейсмическое давление, вызванное изменением напряжённого состояния среды при прохождении в ней природных и техногенных сейсмических волн, сейсмической нагрузки от собственной массы сооружений и пригрузки породами вышезалегающего свода.
При проходке горных выработок в сейсмических районах на участках пересечения с тектоническими разломами для компенсации продольных деформаций применяют разгрузочные щели, конструкция которых допускает смещение части массива при сохранении расчетных свойств в безопасном диапазоне.
При сейсмичности 7 баллов обделку горных выработок выполняют бетоном с анкерным креплением, а стены - железобетоном. Для ответственных объектов: атомные электростанции, крупные гидротехнические сооружения, объекты химической промышленности, высотные здания и т.п. сейсмичность сооружения повышается на 1-2 балла. Строительство зданий и сооружений в районах с сейсмической активностью более 9 баллов разрешается в особом порядке.
При подземной разработке месторождений рекомендуются технологии с заполнением выработанного пространства материалами: обрушенными или полученными от проходки горных выработок породами, глиной, песком, твердеющими закладочными смесями, а также хвостами выщелачивания руд.
Массовые динамические явления, провоцируемые наведенными колебаниями земной коры, при совпадении частот способствуют динамическому разрушению массивов, которое, в свою очередь, генерируя колебания, дают импульс сходу ледников и другим катастрофическим явлениям.
Эксплуатация месторождений должна осуществляться с комплексным учетом гравитационных, тектонических и сейсмических условий участка Земной коры, рассматриваемого как система с неопределенно большим числом степеней свободы. На таких участках необходим мораторий систем разработки месторождений с естественным управлением массивом и с открытым выработанным пространством.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голик В.И. Подземная разработка месторождений. Учебное пособие УМО. Инфра - М, М. 2013.
2. Голик В.И. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Учебное пособие УМО. Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2013.
3. Голик В.И., Комащенко В.И. Природоохранные технологии управления состоянием массива на геомеханической основе. М.:КДУ.2010.556 с.
4. Голик В.И., Чжун Чан, Мельков Д.А. Геофизический контроль состояния геологической среды при техногенных воздействиях. Горныйинформационно-аналитичес-кийбюллетень. М. 2010. №6.
5. Голик В.И. Разработка месторождений полезных ископаемых. Владикавказ. МАВР. 2006. 976 с.
6. Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и крупных строительных площадок. Наука, М., 2009, 350 с.
7. Заалишвили В.Б. Физические основы сейсмического микрорайонирования. - ОИФЗ РАН, М., 2000, 367с.
УДК 504.55.054:662 (470.6) © В.И. Голик, В.Б. Заалишвили,
О.Г. Бурдзиева, 2013
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Статья посвящена обоснованию повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых за счет геофизического обеспечения добычных работ. Систематизированы основные геофизические условия разработки месторождений рудных полезных ископаемых. Показано, что эффективность технологий добычи минерального сырья зависит от полноты использования банка данных о формировании рудных месторождений, а учет природных процессов образования месторождений влияет на качество извлекаемого сырья и полноту использования недр. Приведены сведения о мониторинге технологий добычи минерального сырья на всех этапах освоения месторождения, в том числе состояние земной поверхности в районе разработки. Обосновано, что геофизическое обеспечение горных работ способствует комплексному решению основных задач горного производства.
