CC BY
23
--© И.Ю. Рассказов, М.И. Потапчук, Г.А. Курсакин,
Ю.И. Болотин, А.В. Сидляр, М.И. Рассказов, 2012
УДК 622.831.32
И.Ю. Рассказов, М.И. Потапчук, Г.А. Курсакин, Ю.И. Болотин, A.B. Сидляр, М.И. Рассказов
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА УДАРООПАСНОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТРАБОТКЕ ГДУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ НИКОЛАЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Приведены результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния в элементах камерной системы разработки с управляемым обрушением кровли, применяемой для отработки удароопасного участка Николаевского полиметаллического месторождения. Сопоставление результатов моделирования с данными сейсмоакустического мониторинга показало надежность прогнозной оценки и позволило обосновать комплекс профилактических мероприятий по управлению горным давлением.
Ключевые слова: горные породы, удароопасность, геомеханические исследования, сложноструктурный массив.
Рудные месторождения Дальневосточного региона, как правило, характеризуются сложным геологическим строением и приуроченностью к тектонически-активным районам земной коры. Их подземная разработка, особенно на глубоких горизонтах, при развитом фронте очистных работ и высоких тектонических напряжениях в массиве горных пород, сопровождается проявлениями горного давления в различных формах, вплоть до горных и горнотектонических ударов.
К числу наиболее удароопасных, относится Николаевское полиметаллическое, которое характеризуется сложными горногеологическими и геомеханическими условиями разработки [1]. Оно представлено серией мелко-глыбовых и мощных рудных тел различного падения и простирания с четкими контактами сложной геометрии. Главное рудное тело «Восток-1» мощностью 3-80 м и шириной в центральной части рудного поля до 600
м прослежено с глубины 700 м до 1100 м. Выше и на флангах залежи «Восток-1» расположены глыбовые оруденения и серия маломощных рудных тел.
По результатам геомеханических исследований установлено, что в массиве горных пород Николаевского месторождения действуют неравно-компонентные поля напряжений, в которых преобладают горизонтальные сжимающие напряжения, наибольшие из которых ориентированы в С-В направлении и в 1,8-2,5 раза превышают гравитационную составляющую от веса налегающей толщи пород [2].
За время наблюдений на месторождении зарегистрировано более 200 динамических проявлений горного давления в различных формах: от стреляния пород до собственно горных и горно-тектонических ударов. На основе анализа факторов, определяющих проявления удароопасно-сти массива, установлено, что около
Рис. 1. Обобщенная расчетная схема для моделирования НДС участка Николаевского месторождения по разрезу 36: /, II - последовательность отработки рудной залежи; 1 - рудно-породный целик; 2 - известняки; 3 - вкрапления алевролита
50 % динамических явлений приурочено к зонам влияния геолого-тектонической структуры массива (зонам разломов IV и V рангов и контактам пород). Велико также и влияние особенностей горнотехнических условий разработки месторождения: более трети из зарегистрированных здесь динамических проявлений происходят в зоне опорного давления вблизи (на расстоянии 2-15 м) от выработанных пространств.
Для отработки Николаевского месторождения в разные годы было испытано несколько технологических схем. Часть рудных тел месторождения отработана камерной системой разработки с твердеющей закладкой с двухстадийной очистной выемкой. На ряде участков отработаны и заложены твердеющей закладкой только первичные камеры, а вторичные камеры после отработки частично заложены сухой породой; часть пустот оставлена незаложенной и погашена путем изоляции. Северозападная часть шахтного поля (рудная залежь «Восток-1») была отрабо-
тана системой подэтажного обрушения без закладки отработанного пространства с последующим погашением путем изоляции.
В последние годы получен положительный опыт применения нового варианта камерной системы разработки с управляемым обрушением кровли [1]. По этой технологии рудную залежь разбивают на блоки, содержащие камеру и целик; в первую очередь извлекают запасы камеры, а затем вынимают целик и осуществляют выпуск руды под защитой породной консоли; завершив выемку запасов, производят принудительное обрушение пород кровли до проектной высоты и приступают к отработке готового к выемке смежного блока.
В настоящее время наиболее сложная геомеханическая ситуация на Николаевском месторождении сложилась в районе блоков «Южный-1» и «Южный-2», рудной залежи Вос-ток-1 в этаже -360...420 м (глубина от поверхности 740.800 м). Для обоснования безопасного порядка
о
760
780
800
20
40
60
100
120
-180
Рис. 2. Распределение интенсивности касательных напряжений тинт при отработке запасов камеры 2 до гор. -380 м
отработки рудных тел и параметров профилактических мер были выполнены исследования включающие в себя математическое моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород методом конечных элементов и шахтные наблюдения с применением инструментальных методов оценки удароопасности [3—6].
С помощью математического моделирования исследовали изменение уровня напряжений в массиве по мере увеличения выработанного пространства в процессе отработки блока «Южный 1» в этаже -360... -420 м (рис. 1). Результаты моделирования представлялись в виде изолиний интенсивности касательных напряжений
Тинт = (<31-&2)/2.
По результатам исследований было установлено, что в районе блока «Южный-1» под влиянием очистной выемки происходит фор-98
мирование сложного техногенного поля напряжений, характеризующегося наличием как областей разгрузки (преимущественно надрабо-танные зоны), так и появлением зон концентрации напряжений в краевых частях массива.
Отработка рудных запасов в этаже минус 370-380 м приводит к росту касательных напряжений до 90 МПа в области взаимовлияния штреков Транзитного 5-2 и Разведочного 1, а также непосредственно под отработанным участком (рис. 2).
Дальнейшая отработка этого участка до гор. -390 м приводит к значительному изменению характера напряженного состояния в массиве. В районе штрека Транзитного 5-2 и на участке рудной залежи на гор. -390 м, граничащей с выработанным пространством, значения касательных напряжений возрастают и приближаются к пределу прочности на сдвиг
О 20 40 60 80 100 120
Рис. 3. Распределение интенсивности касательных напряжений тинт при полной отработке запасов камеры 2
слагающих массив пород (120 МПа), что свидетельствует о повышенной степени удароопасности этих участков (рис. 3).
На заключительных этапах отработки камеры 2 блока «Южный 1» характер распределения напряжений практически не меняется. Установлено также, что в подработанном горном массиве над штреком 1 формируется значительная по величине зона опорного давления, что в дальнейшем может привести к ухудшению геодинамической ситуации в районе этой выработки (см. рис. 3).
На совмещенном плане горных работ (рис. 4) представлены наиболее удароопасные зоны в массиве горных пород в районе рудной залежи «Восток 1» после полной отработки камеры 2. К ним относятся участки массива: в юго-восточном борту выработанного пространства; в районе штрека транзитного 5-2 (отметки -390. -385 м); северо-восточный участок массива, сформированный в процессе отработки камеры 2 на горизонте 390 м; район штреков транзитного 5 и подэтажного 1 (отметки -390....-375 м), также район штрека транзитного 6-2 на горизонте -
406 м, и штрек подэтажный 1 на горизонте -420 м.
Полученные численным методом результаты прогнозной оценки сопоставлялись с данными сейсмоаку-стических наблюдений, которые на Николаевском месторождении проводятся с применением автоматизированной системы контроля горного давления (АСКГД) «Ргодпо2-АОБ» [5]. Наблюдательная сеть АСКГД включает в себя 15 геофонов и цифровых приемных преобразователей, установленных на горизонтах: -360, -380, -390, -406, -420 и -433 м и охватывает участки рудничного поля, для изучения которых применялись в числе прочих численные методы.
Анализ пространственного распределения очагов АЭ-событий показал, что их большая часть лоцируется в зоне непосредственного влияния горных работ в районе блока «Южный 2» камера 1. Здесь в этаже -390.-406 м сформировалась акустически активная зона, которая насчитывает более 30 % очагов микроразрушений от общего числа всех зарегистрированных за время наблюдений
Рис. 4. Совмещенный план горизонтов -380 м и -406 м с выделенными потенциально удароопасными участками горного массива
САЭ-событий (рис. 5). Установлено, что основная их часть приурочена к межкамерному целику, в зоне влияния разлома ТН-3. Процесс интенсивного деформирования рудопо-родного целика, на что указывает высокая акустическая активность, сопровождался также динамическими проявлениями горного давления.
Наибольшая акустическая активность в горном массиве наблюдалась в июне и октябре 2012 г., совпавшая по времени с началом отработки камеры 2 блока «Южный», а затем (октябрь 2012 г.) формированию межкамерного целика. Суммарная энергия выделившейся акустической энергии в октябре 2012 г. превысило 6500 Дж.
Рис. 5. Карта пространственного распределения САЭ-событий на Южном фланге Николаевского месторождения по результатам наблюдений в II-IV кв. 2011 г. (в проекции на гор. -390 м)
В целом результаты выполненных исследований дают основания для следующих выводов:
1. Применение комплексного подхода к геомеханическому изучению сложноструктурного массива горных пород Николаевского месторождения, предусматривающего математическое моделирование НДС и натурные наблюдения инструментальными методами, дали возможность выделить и контролировать потенциально уда-роопасные участки разрабатываемого горного массива.
2. Отработка камеры 2 очистного блока «Южный 1» в этаже -406. -380 м на Николаевском месторождении с применением камерной системы разработки с управляемым обрушением кровли приводит к фор-
мированию сложного техногенного поля напряжений и перераспределению опасных концентраций напряжений в различные области по мере увеличения очистного пространства. При полной отработке камеры 2 величина напряжений возрастает и в отдельных случаях превышает предел прочности на сдвиг слагающих пород, что свидетельствует о повышенной степени удароопасности данных участков.
3. Для снижения удароопасности при отработке удароопасных участков месторождений был рекомендован комплекс мероприятий, предусматривающий рациональных порядок отработки запасов и щелевую разгрузку наиболее напряженных краевых частей массива и целиков,
эффективность выполнения которых нического мониторинга АСКГД оценивается по результатам геомеха- «Ргодпо2-АОБ».
1. Методы контроля и управления горным давлением на рудниках ОАО «МГК «Дальполиметалл» / И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, А.М. Фрейдин, В.Н. Черноморцев, С.П. Осадчий // Горный журнал. 2006. № 4. С. 35-38.
2. Рассказов И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона. М.: Издательство «Горная книга», 2008. 329 с.
3. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике - М.: Недра, 1987.
4. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров и др. - М.: Недра, 1992.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Методы и средства контроля ударо-опасности при ведении подземных горных работ на рудниках Дальневосточного региона / И.Ю. Рассказов, Г. А. Калинов, В. И. Мирош-ников, Д.С. Мигунов, А.Ю. Искра, П.А. Аникин // Записки Горного института «Современные проблемы геодинамической безопасности при освоении месторождений полезных ископаемых». СПб, 2010. Т. 188. С. 18-22.
6. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99) / Колл. авторов. — М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. -66 с. ГГТТг!
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор ПотапчукМ.И. - научный сотрудник,
Курсакин Г.А. - доктор технических наук, главный научный сотрудник, Болотин Ю.И. - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Сидляр А. В. - аспирант, Рассказов М.И. - аспирант,
Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, adm@igd.khv.ru
ГИАБ-ДАЙДЖЕСТ -
Нижегородские ученые разработали новые материалы с уникальными свойствами
Ученые нижегородского Научно-исследовательского физико-технологического института (НИФТИ) научились превращать обычные металлы и сплавы в сверхпластичные. Из такого металлического «пластилина» можно штамповать детали сколь угодно сложной формы. Технология вполне могла бы потеснить привычное литье и открыть новую эру в металлообработке. Возможно, ей стоит поискать применение и в горном деле.
По материалам журнала «Эксперт» (788), 2012 г.
