CC BY
37
A.Ю. Искра, Б.Г. Саксин,
B.И. Мирошников, 2009
УДК 622.831.32
И.Ю. Рассказов, П.А. Аникин, А.Ю. Искра,
Б.Г. Саксин, В.И. Мирошников
РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ГЕОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ УДАРООПАСНОСТИНА МЕСТОРОЖДЕНИИ «АНТЕЙ»
~П Дальневосточном регионе России действует целый ряд
М.М месторождений, геомеханическая ситуация на которых предопределяется либо динамическими проявлениями горного давления, либо отнесением глубоких горизонтов месторождений к опасным или склонным к горным ударам. На некоторых из них наблюдается весь спектр динамических форм горного давления вплоть до сильных с тяжелыми последствиями горных и горнотектонических ударов [1].
Месторождение урановых руд Антей, эксплуатацию которого осуществляет ОАО «Приаргунское производственное горнохимическое объединение» (ОАО «III1ГХО»), расположено в юговосточном Забайкалье и входит в состав Стрельцовского рудного узла. Район месторождения находится в пределах ЦентральноАзиатского орогенного пояса, «зажатого» между Сино-Корейским и Северо-Азиатским кратонами в северо-западной части Амурской плиты, и характеризующегося высокой геодинамической активностью [2]. Месторождение представлено в виде локализованных в зонах разломов крутопадающих рудных тел субмеридионального простирания мощностью от нескольких 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.
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 заход-ками 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 вертикальных скважинных зарядов. Очистные работы на месторождении уже достигли глубины 820 м (на XIII горизонте). На нижележащих горизонтах ведутся горно-подготовительные работы.
На месторождении Антей первые признаки удароопасности были отмечены еще на стадии строительства при проходке стволов и разведочно-подготовительных выработок [3]. 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) происходит масштабный рост числа и интенсивности проявлений горного давления в динамической форме [4].
Для предварительного прогнозирования динамических проявлений горного давления и обоснования эффективных противоударных мероприятий на месторождении «Антей» применяется комплекс численных и инструментальных методов оценки напряженного состояния и удароопасности разрабатываемого массива горных пород. Математическое моделирование методами конечных элементов (МКЭ) и граничных интегральных уравнений (МГИУ) применяется для разработки прогнозных карт напряженно-деформированного состояния (НДС) отдельных участков рудничного поля, являющихся основой для перспективного планирования горных работ, а также позволяет установить важные закономерности формирования техногенных полей напряжений, учитывающих особенности геолого-тектонического строения месторождения и параметры применяемых технологических схем.
Для региональной оценки состояния массива на глубоких горизонтах рудника «Глубокий» с 2006 г. используется разработанная в ИГД ДВО РАН многоканальная цифровая автоматизированная геоакустическая система контроля горного давления «Prognoz-ADS». Система состоит из подземной и поверхностной частей и
включает в себя до 32 цифровых приемных преобразователей (ЦПП), объединенные в одном подземном блоке ретранслятор, источник питания и синхронизатор, многопортовый расширитель RS-485 и центр управления системой на основе персонального компьютера (ПК), являющегося сервером постоянно пополняющейся базы данных [5].
В настоящее время на 4 нижних горизонтах месторождения создана разветвленная сеть из 19 ЦПП, позволяющая регистрировать даже слабые (с энергией до 1 Дж) импульсы акустической эмиссии (АЭ), тем самым, обеспечивая возможность наблюдений за развитием процесса формирования очагов деструкции непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза. Пример отображения зарегистрированного акустического импульса с энергией 13 Дж в “окне” программного обеспечения системы геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS» приведен на рис. 1.
Особенностью геоакустического мониторинга на действующем горнодобывающем предприятии является необходимость осуществлять измерение параметров АЭ в условиях интенсивных технологических помех от бурового и мощного вентиляционного оборудования и погрузочных машин. Для идентификации полезных сигналов в потоке регистрируемых АЭ-событий используется структурно-спектральный анализ сигналограмм (на основе быстрого преобразования Фурье) и учет пространственной геометрии приемной антенны (при сферической модели излучения дефектом упругих волн в массиве). В программном обеспечении АСКГД в настоящее реализованы не только функции обеспечения протокола обмена данными низкого уровня, но и минимизации влияния сбоев микроконтроллеров геофонов (ЦПП) при круглосуточном режиме контроля.
Для обработки полученных данных используется пакет прикладных программ “GeoAcoшtics-ADS\ который позволяет проводить детальный анализ локационных серий, выполнять селекцию результатов и подготовить параметрический материал для прогноза удароопасности контролируемого массива горных пород. Содержащаяся в БД и постоянно пополняющаяся информация об источниках АЭ является основой для осуществления текущего и перспективного прогноза удароопасности участков шахтного поля рудника.
Рис. 3. Локационная серия акустического события, зарегистрированного в блоке 6а-1212 рудника «Глубокий» системой геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS»
По результатам измерений параметров очаговых зон строятся карты изолиний акустической активности, отражающие процесс перераспределения напряжений в массиве под влиянием горных работ. Локационные результаты сесмоакустической мониторинга импортируются в 3D-модель месторождения и могут быть представлены в изометрическом виде посредством программы MmeFrame [5].
В период 2007-2009 гг. АСКГД «Prognoz-ADS» на глубоких горизонтах месторождения в зоне контроля было зафиксировано более 37000 акустических событий как техногенного происхождения, так и природного характера. Доля технологических помех и не
корректных серий составляет около 85 % от общего числа зарегистрированных АЭ-событий, что во многом объясняется сложностью гео-лого-тектонического строения массива и наличием большого числа заполненных закладкой выработанных пространств, обуславливающим существенные различия в скоростях распространения акустических волн. Анализ БД показал, что из зарегистрированных за последний год более 5500 АЭ-событий с различной энергетикой их большая часть (65 %) относится к слабым, характеризующихся значениями 4-5
Дж.
По данным геоакустического контроля в период 2007-2009 гг. установлено, что массив горных пород участка месторождения в пределах зоны контроля испытывает интенсивные деформации, обусловленные техногенным воздействием на него горных работ, которые сопровождаются активным трещинообразованием с излучением сейсмоакустических импульсов различного энергетического уровня.
Анализ пространственного распределения и параметров очагов АЭ-событий дает возможность выявить ряд особенностей формирования крупных долгоживущих акустически активных зон, включая их приуроченность преимущественно к контурам очистных выработок (в первую очередь сформированные целики и выступы фронта очистных работ), к геологическим контактам разнопрочных пород и к активным тектоническим разломам, особенно на участке “пережима” рудоконтролирующего тектонического разлома 160, где ранее неоднократно отмечались динамические проявления горного давления. Установлено, что энергия АЭ-событий, регистрируемых в пределах акустически активной зоны в блоке 6а-1110 (рис. 2 и 3), в 2-3 раза выше среднего уровня.
В пределах зоны контроля на уровне XI и XII горизонтов наблюдается процесс миграции акустически активных зон со средней скоростью 30 м/месяц по простиранию и падению породного блока имеющего форму «клина», границами которого являются тектонические нарушения 13 и 160. Повышенная акустическая активность здесь отмечается после проведения взрывных работ. При этом длительность времени спада акустической активности составляла около 100 минут, а сам этот процесс по интенсивности актов АЭ, как правило, носил волнообразный характер.
Краевые участки горного массива в пределах выявленных по результатам мониторинга потенциально удароопасных зон, харак-
теризующихся повышенной акустической активностью, дополнительно исследуются локальными методами. К числу апробированных и рекомендованных к применению на месторождении «Антей» относятся геомеханический метод и экспресс-метод, основанный на регистрации естественной акустической эмиссии (последний реализуется с использованием аппаратуры СБ 32М «Сапфир», разработанной ОАО «ВНИМИ»).
По результатам локальных измерений напряженности горных пород в целиках и других элементах системы разработки и участках массива получены новые данные о параметрах техногенного поля напряжений на глубоких горизонтах месторождения, характеризующегося значительной изменчивостью, как по величине, так и по направлению действия главных напряжений. На участках вне зоны опорного давления наибольшие напряжения ориентированы преимущественно по азимуту 220-240°, а в зоне влияния очистных работ их вектор меняет направление действия, отклоняясь на 30° и более от первоначальной ориентировки. Величина наибольших напряжений в зависимости от расположения замерной станции варьируется в пределах от 53 до 110 МПа и приближается к пределу прочности горных пород.
Результаты исследований с применением теоретических и экспериментальных методов и технических средств контроля горного давления позволяют эффективно решать задачи оперативного и перспективного планирования горных работ на удароопасных участках, осуществлять необходимую корректировку параметров принятой на месторождении технологии и более обоснованно применять профилактические мероприятия по предотвращению горных ударов.
Результаты исследований последних лет дают основание считать оправданной применение и дальнейшее развитие геоакустиче-ского метода как одного из наиболее эффективных для науки и практики инструментов изучения и контроля геомеханического состояния массива горных пород. Подобные наблюдения в условиях действующего рудника «Глубокий», позволили выявить ряд важных особенностей формирования геоакустических волновых полей в разрабатываемых горных массивах, которые дали возможность выделить потенциально удароопасные участки рудничного поля.
Рис. 2. Карта распределения очагов АЭ-событий, зарегистрированных за период с января по июнь 2009 г. в участке шахтного поля в этаже -20... -200 м, проекция на вертикальную плоскость (изолинии отражают плотность пространственного распределения очагов АЭ)
110800
110900-
77100 77200
Рис. 3. Карта распределения очагов АЭ-событий, зарегистрированных за период с января по июнь 2009 г. в участке шахтного поля в этаже -20... -200м (в проекции наXIгоризонт)
Совместное применение методов контроля горного давления и противоуданых мероприятий позволило существенно снизить в последние годы число и интенсивность динамических проявлений горного давления и обеспечить более безопасные условия отработки глубоких горизонтов месторождения Антей.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рассказов, И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона / И.Ю. Рассказов. - М.: Изд-во «Горная книга», 2008. -329 с.
2. Модель формирования орогенных поясов Центральной и СевероВосточной Азии / Л.М. Парфенов, Н.А. Берзин, А.И. Ханчук и др. // Тихоокеанская геология. - 2003. - Т. 22. - № 6. - С. 7-41.
3. Поляков, А.Н. Прогноз удароопасности горнотехнических ситуаций на перспективные глубины разработки / А.Н. Поляков // Горный журнал. - 1993. - № 4. - С. 51-56.
4. Особенности динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» / И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин, Г.П. Потапчук, Б.А. Просекин, О.А. Исьянов // ГИАБ. - 2007. - № ОВ9. - С. 167-177.
5. 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. - М.: ГЕОС, 2005. - Т. 1. - С. 351-354.
6. Морозов, К.В. Создание геомеханической модели месторождения Антей на основе цифровых технологий / К.В. Морозов, Б.А. Просекин // Горный журнал. -2008. - № 8. - С. 47-49.
7. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки с закладкой с нисходящей выемкой / И.Ю. Рассказов, Г.М. Потапчук, В.И. Мирошников, М.И. Рассказова // ГИАБ. - 2008. - № 7. - С. 116-124.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор, adm@igd.khv.ru Аникин П.А. - научный сотрудник, pav.anik@rambler.ru Искра А.Ю. - старший научный сотрудник, isk-home@rambler.ru Саксин Б.Г. - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, bsaks@igd.khv.ru
Мирошников В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск. mirosh@igd.khv.ru
