CC BY
149
УДК 622 831: 061.62 (470.21)
ЭВОЛЮЦИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ГОРНОМ ИНСТИТУТЕ КНЦ РАН В ПЕРИОД 1961-2011 гг.
А.А. Козырев, В.И. Панин
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Показано формирование геомеханики как самостоятельной фундаментальной части горной науки и основные ее достижения в Горном институте КНЦ РАН за 50-летний период. Развитие геомеханики определяется запросами горнотехнической практики и логикой эволюции научного знания.
Ключевые слова:
геомеханика, горнотехнические системы, горные породы, горные удары, геодинамический риск.
С первых дней образования Горного института в составе Кольского филиала АН СССР - ныне Кольского научного центра РАН - вопросам развития геомеханических исследований уделялось большое внимание вследствие актуальности соответствующих задач на горнорудных предприятиях Мурманской области, что в значительной мере определило преобладающие научные интересы одного из первых его директоров члена-корреспондента АН СССР И.А. Турчанинова.
В начале 1960-х гг. на апатитовых рудниках стали проявляться признаки аномальной напряженности Хибинского массива [1], обусловленной его интенсивным современным поднятием относительно примыкающих к нему участков земной коры [2]. В этот же период завершалась отработка Мончегорских жильных медноникелевых месторождений и начиналась частичная выемка охранных околоствольных целиков. Эти вопросы требовали научного обоснования и геомеханического обеспечения безопасного ведения горных работ.
Для решения этих вопросов были проведены исследования, результаты которых изложены в монографии И.А. Турчанинова [3], рассматривающей ряд вопросов методики и организации исследования процессов сдвижения горных пород и горного давления при разработке свиты крутопадающих жил. Проанализировано влияние трещинной тектоники массива на характер и формы проявления процессов механики горных пород. Освещены мероприятия по уменьшению вредного влияния проявлений горного давления и деформаций пород при ведении горных работ.
В этот же период ведутся исследования по развитию методики и техники определения показателей физических свойств горных пород и параметров их состояния в массиве. В монографии [4] изложены основы комплексного определения физических и горнотехнологических свойств горных пород применительно к задачам горного давления и разрушения породных массивов различными методами, а также к некоторым задачам геологии и разведочной геофизики. Приведена классификация основных свойств горных пород, описаны принципы их комплексного определения, основанные на унификации типоразмеров образцов и рациональной последовательности испытаний. Рассмотрена физическая сущность определяемых свойств, обоснованы и описаны рекомендуемые методы их определения, а также рекомендуемые принципы математической обработки и систематизации экспериментальных данных, что необходимо для изучения корреляционных зависимостей между различными свойствами пород, а также их связей с минералогическим составом и строением.
В монографии И.А. Турчанинова и В.И. Панина [5] изложены основы геофизических методов определения напряженного состояния горных пород в массиве: ультразвукового, звукометрического, радиометрического (гамма-гамма-метода), электрометрического. Приведена классификация методов и предложены принципы их комплексирования для оценки напряженно-
деформированного состояния массивов пород. Описана аппаратура, применяемая для измерений, методика лабораторных испытаний и тарирования, методика и техника шахтных измерений. Приведены примеры использования геофизических методов для оценки величин действующих напряжений в различных горно-геологических условиях, а также для определения степени нарушенности пород в окрестности горных выработок.
В мае 1970 г. на IV Всесоюзной конференции по механике горных пород акад.
Н.В. Мельников дал исчерпывающее определение механики горных пород: «Механика горных пород - фундаментальная часть горной науки, изучающая свойства и состояние горных пород и массивов с учетом твердой, жидкой и газообразной фазы и естественного напряженного состояния для создания целесообразных методов разрушения горных пород, управления горным давлением и сдвижением, а также устойчивости обнаженных поверхностей.
Механика горных пород, опираясь на достижения физики твердого тела, теории пластичности, фильтрации, реологии, цикла геологических, геохимических и других наук, разрабатывает классификацию горных пород, методы количественной оценки свойств и состояния пород и горных массивов и дает основания для создания инженерных методов расчета горной технологии и первичной переработки минерального сырья» [6, с. 6]. С этого времени, по мнению некоторых наших коллег [7, 8], начинается современная геомеханика.
В 1977 г. опубликована обобщающая монография И.А. Турчанинова и др. [9], в которой приведено систематизированное изложение основ механики горных пород, отражающее историческое развитие и современное состояние теоретических и методических исследований по определению свойств и напряженно-деформированного состояния массива пород, по расчету элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых и параметров горных выработок. В монографии рассмотрены предмет, метод и основные задачи механики горных пород. Описаны наиболее употребительные методы определения свойств горных пород на образцах и в массиве, освещены вопросы определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок экспериментальными и аналитическими методами. Представлены основные результаты изучения напряженного состояния пород вокруг капитальных, подготовительных и очистных выработок. Детально рассмотрены вопросы сдвижения горных пород под влиянием разработки полезных ископаемых, а также условия и причины возникновения горных ударов и внезапных выбросов пород и газа на рудниках и шахтах. Описаны меры предотвращения и локализации горных ударов и внезапных выбросов. Вскоре эта книга была переведена на английский язык.
Сотрудники лаборатории геомеханики активно сотрудничали с коллегами из ведущих научно-исследовательских организаций Союза, а также со специалистами из смежных областей наук о Земле: геологами, геофизиками, сейсмологами. Результаты этого сотрудничества отражены в сборнике [10], в котором обсуждались методические подходы и приемы по определению взаимосвязи современного напряженного состояния и свойств горных пород. Приведены экспериментальные результаты и физическое толкование взаимосвязи напряженного состояния массивов со свойствами пород и их трещиноватостью. Дано приложение результатов изучения полей напряжений и свойств пород к решению практических задач при строительстве, эксплуатации инженерных сооружений и при разработке месторождений полезных ископаемых.
В монографии Г.А. Маркова [11] рассмотрены особенности проявлений горного давления на апатитовых рудниках при действии в массиве тектонических напряжений. Для определения структуры и параметров поля напряжений в пределах отдельного месторождения или группы месторождений предложена методика последовательных приближений с использованием качественной поисково-диагностической информации и с применением количественных инструментальных измерений методом разгрузки и ультразвука. Получены данные о взаимосвязи величины тектонических напряжений со свойствами и строением массива. Определены статистические характеристики модели напряженного состояния массива с учетом гравитационной и тектонической составляющей во взаимосвязи с изменчивостью упругих свойств пород. Установлены экспериментально-аналитические критерии прочности пород на контуре выработок. Разработан графоаналитический метод оценки состояния прочности и опасности разрушений в условиях многофакторной модели поля напряжений при выбранной надежности. Теоретические выводы и практические рекомендации проиллюстрированы
экспериментальными данными по определению напряжений и примерами проявлений горного давления в рудниках Хибинского массива.
Развитие модели гравитационно-тектонического напряженного состояния пород в массиве получило в монографии 1978 г. [12], в которой изложены современные представления о напряженном состоянии верхней части земной коры по геотектоническим данным и результаты непосредственных натурных определений компонент тензоров напряжений в массивах при подземной разработке месторождений. Описаны способы определения напряжений в массиве и методы контроля напряженно-деформированного состояния пород вокруг горных выработок. Установлены аналитическим методом закономерности распределения напряжений вокруг одиночных выработок и очистных пространств с учетом граничных условий по данным непосредственных измерений в нетронутом массиве. Детально исследованы основные горногеологические и технологические факторы, определяющие устойчивость выработок. Сформулированы основные принципы охраны горных выработок, определены рациональные виды крепи и методы расчета их параметров, намечены пути совершенствования систем разработки на месторождениях с активными проявлениями горного давления тектонической природы.
Не прекращались работы по развитию методики и техники лабораторного и натурного геомеханического эксперимента, уровень которых в лаборатории позволил ей возглавить соответствующие исследования по актуальной тематике стран-членов СЭВ. Результаты этого сотрудничества отражены в коллективной монографии [13] о достижениях научноисследовательских организаций ГДР, ПНР, СССР и ЧССР по созданию комплекса приборов для горной геофизики, которое проводилось по плану координации научных и технических исследований СЭВ. Приборы и оборудование предназначены для определения свойств и напряженно-деформированного состояния пород в массиве. Приведены результаты совместных разработок по созданию унифицированных комплектов аппаратуры и оборудования для определения напряжений методом разгрузки в вариантах торцевых измерений и соосных скважин. Описан ряд оригинальных разработок немецких, польских, советских и чехословацких специалистов для исследования и контроля напряжений и деформаций пород в массиве и кратко отражен опыт использования соответствующей аппаратуры и оборудования в горнотехнических исследованиях.
Очередным свидетельством прочных позиций лаборатории геомеханики в области изучения напряженного состояния пород в массиве было проведение в Апатитах в мае 1980 г. Всесоюзной школы-семинара по измерению напряжений и их приложению в прогнозе землетрясений, результаты которого приведены в двух сборниках [14-15]. Рассмотрены вопросы природы и механизма возникновения тектонических напряжений в верхней части земной коры. Особое внимание уделено методологии определения и картирования региональных и локальных полей напряжений в различных районах, намечен общий подход к проблеме инструментальных определений напряжений в глубоких геологоразведочных скважинах. Приведены результаты непосредственных измерений напряжений на отдельных месторождениях и интерпретация полученных данных. Рассмотрены теоретические и экспериментальные вопросы связи предвестников разрушения с изменением напряженно-деформированного состояния пород. Приведены данные о результатах определения напряжений в верхних слоях земной коры на сейсмопрогностических полигонах, методические вопросы контроля изменений напряжений и деформаций в очаговой зоне возможных землетрясений. Детально рассмотрены предложения об использовании высоконапряженных тектонических зон в качестве информативных участков для оборудования комплексных долговременных станций слежения за изменением состояния массива в процессе подготовки землетрясений.
В июле 1980 г. после тяжелой непродолжительной болезни безвременно ушёл из жизни член-корреспондент И.А. Турчанинов. Памяти этого видного ученого и организатора науки посвящен сборник [16], в который включены новейшие материалы по развитию механики горных пород, а также по проблемам крупномасштабного подземного строительства и освоения месторождений полезных ископаемых на больших глубинах. Уделено внимание новым представлениям о напряженно-деформированном состоянии пород в верхней части земной коры и развитию научного приборостроения в связи с задачами прогноза горного давления.
После И.А. Турчанинова исследования по геомеханике возглавил Г.А. Марков, который руководил лабораторией с 1976 г. по 1984 г. Им совместно с С.Н. Савченко опубликована монография [17], в которой приведены новые экспериментально обоснованные представления о формировании естественного напряженного состояния пород в массиве под влиянием тектонических процессов в верхней части земной коры и его изменчивости в зависимости от структуры тектонических блоков, гористого строения рельефа и изменения свойств слагающих массивы пород. Даны теоретические решения и описания напряженного состояния для ряда задач и условий естественного залегания пород при гористом строении рельефа и его изменений за счет образования выемок при извлечении полезных ископаемых. Изложены результаты изучения и примеры учета напряженного состояния пород при обосновании мер предотвращения и локализации разрушений в рудниках.
В 1984 г. в связи с отъездом Г.А. Маркова в Москву лабораторию возглавил А.А. Козырев.
В 1985 г. опубликована монография Э.В. Каспарьяна [18], в которой приведено систематизированное изложение современных представлений по вопросам устойчивости горных выработок в скальных породах. Рассмотрены основные факторы, определяющие состояние выработок в массивах скальных пород, изложен метод оценки устойчивости выработок, учитывающий воздействие полей статических напряжений, реальную структуру и деформационно-прочностные характеристики массива. Приведены примеры решения конкретных практических задач для условий горнорудных предприятий Кольского п-ова и Северной Карелии.
Продолжается активное сотрудничество со специалистами научно-исследовательских и учебных институтов горного и геолого-геофизического профилей по изучению напряженно-деформированного состояния массивов пород, его взаимосвязей с геолого-тектоническим строением и свойствами пород и приложению их результатов в горном деле и инженерной геологии, результаты которого отражены в сборниках [19-21], в которых:
• рассмотрены вопросы формирования избыточных горизонтальных напряжений в верхней части земной коры. Особое внимание уделено принципам дифференциации тектонических полей напряжений в зависимости от геолого-тектонического строения, интенсивности современных движений, свойств и структурных особенностей пород в различных регионах. Приведены результаты непосредственных измерений напряжений на отдельных месторождениях и интерпретация полученных данных.
• рассмотрены вопросы перераспределения напряжений и изменения свойств пород в массиве, прилегающем к очистному пространству, а также в конструктивных элементах систем разработок различного назначения. Особое внимание уделено выявлению деформаций земной коры при выемке и перемещении больших породных масс горными работами.
• освещены вопросы влияния тектонических полей напряжений на особенности инженерно-геологических условий массивов горных пород и проявлений горного давления в них в процессе отработки месторождений и строительства подземных сооружений различного назначения. Отмечены специфические свойства тектонически напряженных массивов. Приведены рекомендации по оптимальным параметрам конструкций выработок, способам их поддержания в тектонически напряженных массивах.
Значительным вкладом в методику натурных геомеханических исследований явилась разработка совместно с Московским государственным университетом и Всесоюзным научноисследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом геологических и геохимических информационных систем (ВНИИ геоинформсистем) методических рекомендаций по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на разных стадиях геологоразведочного процесса под научной редакцией акад. Е.И. Шемякина [22]. В рекомендациях дано системное изложение методики прогноза напряженного состояния пород на различных стадиях геологоразведочного процесса и инженерно-геологических изысканий. Изложены теоретические основы и наиболее характерные примеры изучения напряженно-деформированного состояния геологической среды.
В 1989 г. в память об И.А. Турчанинове подготовлен сборник статей сотрудников лаборатории геомеханики по геомеханическому обеспечению разработки месторождений Кольского п-ова [23]. В сборнике рассмотрены состояние и задачи решения проблем
геомеханики при разработке месторождений Кольского п-ова, описаны методические подходы к реконструкции полей палеонапряжений по тектонофизическим данным и оценки напряженного состояния пород по материалам геологоразведочного бурения, приведены результаты геомеханического обоснования параметров систем разработки Хибинских апатитовых и Ловозерских редкометалльных месторождений.
В том же году совместно с сотрудниками лаборатории подземной разработки недр подготовлена монография по развитию технологии подземной разработки маломощных рудных месторождений Кольского п-ова [24].
Книга посвящена проблеме изыскания более прогрессивных технологий и систем разработки рудных месторождений малой мощности. Обобщен отечественный и зарубежный опыт разработки пологих маломощных месторождений, исследованы горно-геологические условия и особенности разработки рудных залежей Ловозерского месторождения; дана оценка напряженно-деформированного состояния массива и удароопасности горных пород; приведены методологические принципы выбора эффективных вариантов систем разработки; обоснована целесообразность использования хвостов обогащения для закладки выработанного пространства.
6
4 3 2 1 О
■^ЮСОГ"-СС>а>От-СМСО-^Ю<ОГ'-СОО>С>т-СЧСО-^-ЮСОГ'-СОО>От-СЧСО'-3-Ю<01'--СОО>С>т-С'«|СО'-!1-Ю(ОГ^СОа)Оч-СЧ сосососососо|^г^г^1^1^1^г^Г'-г^г^гагасосососососососоа>ст>а>а>а)а>а)а>а>а>оос>оооооооч--<-т-0)0)0)(лш0)0)0)®фго0)0)0)0)0)0)0)0)и)0)0)0)0>0)010)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0000000000000 т-ч-ч-т-т—Т—Т—Т—Т—Т—Т-Т— Т-Т—Т-Т—т-т-т—Т-Т—Т—Т-Т—Т-Т—т-т-т-т—Т—Т—Т—Т—Т—Т—CN<NCN<N<NC4CNCNCN<NCN<N<N
■ техногенные землетрясения ■ горные удары
Рис. 1. Показатели геодинамической ситуации на апатитовых рудниках
С начала 1980-х гг. на апатитовых рудниках обострилась проблема горных ударов (рис. 1), которая стала весьма актуальной для многих горнорудных районов СНГ и других стран. На рудниках стали проявляться наиболее опасные горно-тектонические удары и техногенные землетрясения, прогноз и предупреждение которых требует принципиально новых методологических подходов и организации обширных комплексных систем контроля геофизической среды, позволяющих отслеживать изменения состояния массивов пород вследствие современных тектонических процессов в верхней части земной коры и техногенного воздействия при разработке месторождений.
Исследования по проблеме горных ударов проводились институтами Российской академии наук, учебными и отраслевыми институтами при постоянном содействии горнорудных предприятий при координации Госгортехнадзора России и методическом руководстве Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ).
В 1991 г. на базе ОАО «Апатит» и Горного института КНЦ РАН было проведено УШ Координационное совещание по решению проблемы горных ударов при разработке рудных и нерудных месторождений и строительстве подземных сооружений, по материалам которого опубликован сборник [25], где обобщены результаты исследований ведущих ученых и специалистов институтов, рудников и организаций: Госгортехнадзора РСФСР, ВНИМИ, Горного института и Кольского регионального сейсмологического центра КНЦ РАН, Института физики и
механики горных пород АН Республики Кыргызстан, Кузнецкого политехнического института, Института горного дела министерства металлургии Уральского филиала ВНИМИ, Института геофизики Уральского отделения Российской АН, научно-производственного объединения «Сибруда», производственного объединения «Севуралбокситруда». В сборнике приведены и новейшие результаты исследований по разработке научных основ теории горных ударов, обоснованию критериев и методов прогноза удароопасности, обоснованию способов профилактики горных ударов, проведению горно-экспериментальных работ и изысканию ударобезопасных технологий применительно к отдельным отрабатываемым месторождениям. Представленные статьи позволили оценить состояние разработки основных научных задач по проблеме и направлений научно-технического прогресса на рудниках при отработке удароопасных месторождений.
Исследования по проблеме горных ударов активно велись в Г орном институте КНЦ РАН, что нашло отражение в двухтомной монографии [26], где приведены результаты исследований тектонических напряжений в массивах горных пород на различных стадиях разведки и освоения месторождений, вокруг одиночных выработок, очистных пространств, в том числе при отработке сближенных пластов, а также смежных месторождений. Определены условия динамических проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. Описаны практические рекомендации по управлению горным давлением и удароопасностью пород как в одиночных выработках, так и в пределах отдельных горизонтов. Даны конкретные примеры управления горным давлением при отработке месторождений в тектонически напряженных Хибинском и Ловозерском массивах, а также инструментального мониторинга массива пород с целью повышения безопасности работ.
В 1997 г. совместно с ВНИМИ по проблеме горных ударов в Академии горных наук был опубликован сборник [27], в котором отражено современное состояние и перспективы решения проблемы горных ударов. Приведены результаты теоретических, лабораторных, горноэкспериментальных работ по изучению природы горных ударов, их прогнозу и предотвращению в специфических условиях разработки рудных и нерудных месторождений. Описан опыт разработки удароопасных апатитовых, бокситовых, полиметаллических, железо- и золоторудных месторождений. Намечены первоочередные меры, способствующие успешному решению проблемы предотвращения горных ударов и внедрению профилактических мероприятий на стадиях проектирования и строительства новых рудников и новых горизонтов действующих рудников.
В том же 1997 г. была опубликована коллективная монография по одной из актуальных проблем разработки нагорных месторождений - о глубоких рудоспусках [28], в которой изложены материалы, освещающие прогрессивные методы и способы проходки глубоких выработок (стволов рудоспусков) в различных горно-геологических условиях. Детально рассмотрены методы проходки стволов снизу вверх с использованием комплекса «Алимак». Рассмотрены методические положения по обоснованию геомеханических условий безопасной проходки и эксплуатации глубоких выработок, сооружаемых в различных массивах пород при действии полей тектонических напряжений, обоснован рациональный комплекс методов контроля соответствующей аппаратурой устойчивости забоя и стенок рудоспусков при определении удароопасности тех или иных участков массива пород.
Развитие и применение информационных технологий в геомеханике нашли отражение в двухтомной монографии Горного института [29], в которой рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с разработкой и применением информационных технологий и компьютерного моделирования горнопромышленных объектов и процессов для научного обоснования освоения минерально-сырьевых ресурсов Кольского п-ова. Рассмотрены научно-методические вопросы создания автоматизированных информационных систем горнодобывающих и перерабатывающих предприятий.
К 70-летию со дня рождения И.А. Турчанинова в 1998 г. опубликован сборник [30], в который включены новейшие материалы по результатам модельных исследований напряженно-деформированного состояния пород вблизи различного рода геологических нарушений, а также процессов развития и реализации мощных динамических явлений в массивах пород; изложены новые методические подходы к оценке напряженно-деформированного состояния пород в
массиве и прогнозу горных ударов и техногенных землетрясений. Показаны принципы геомеханического обеспечения горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве. Приведены результаты геодинамического мониторинга геологической среды при крупномасштабных горных работах.
Сотрудники лаборатории приняли активное участие в организации и подготовке материалов международной научной конференции (март 1999 г.), посвященной 275-летию образования Российской академии наук [31], в которых рассмотрены состояние и проблемы развития горнопромышленного комплекса Северо-Запада России, вопросы физико-технического и инженерно-геологического обеспечения возведения подземных сооружений различного назначения, комплексного освоения и сохранения недр, управления геомеханическими процессами, а также опыт использования научных разработок в практических целях при освоении недр и подземного пространства.
Между тем проблема техногенной сейсмичности при разработке месторождений полезных ископаемых продолжала обостряться и стала актуальной для многих стран с развитой горнодобывающей промышленностью, о чем свидетельствуют материалы нескольких международных конференций. При этом стало очевидным, что наиболее продуктивным методом исследования этой проблемы является метод системного синергетического анализа эволюции сложных открытых нелинейных систем, а следовательно, развития опасных природных и техноприродных процессов. Результаты такого изучения техногенной сейсмичности в горнорудной природно-технической системе (ПТС) приведены в опубликованной в 2002 г. под редакцией акад. Н.Н. Мельникова монографии [32].
С позиций синергетики рассмотрены общие закономерности эволюции ПТС. На основе изучения процессов энергообмена в геологической среде предложена модель реализации катастрофы в ПТС при горных работах. Разработаны методические положения прогноза критических состояний в геологической среде ПТС, чреватых мощными динамическими явлениями в рудниках.
По данным численного моделирования и экспериментальных определений напряжений в массиве пород построена карта напряжений на территории Кольского п-ова, на которой выделены наиболее энергонасыщенные зоны, удовлетворительно согласующиеся с палео- и современной сейсмичностью. По результатам геодинамического мониторинга геофизической среды в ПТС установлены взаимосвязи некоторых параметров сейсмичности и деформирования пород в массиве с процессами подготовки и реализации сильных динамических явлений в рудниках.
Показано влияние мощных технологических взрывов на процессы деформирования блочной геологической среды и сейсмический режим в рудниках. Определены предвестники сильных геодинамический явлений, инициированных массовыми взрывами, а также предложены способы оптимизации параметров взрывной отбойки для снижения сейсмической опасности.
Численным моделированием и экспериментальными исследованиями в рудниках выполнена оценка напряженно-деформированного состояния стыковочных зон между подземными и открытыми горными работами, на основе которой разработаны методические рекомендации по оптимальному порядку отработки стыковочных зон между подземными рудниками и карьерами, устраняющие или существенно снижающие вероятность реализации мощных динамических явлений типа горных ударов или техногенных землетрясений.
И всё-таки решение проблемы техногенной сейсмичности при разработке месторождений полезных ископаемых остается незавершенным, что подтверждается материалами XII Межотраслевого координационного совещания в январе 2002 г. в г. Кировске [33] (2003 г.) и Международного совещания по техногенной сейсмичности в апреле 2004 г. в г. Кировске [34] (2004 г.), а также очередного VI Международного симпозиума по горным ударам и шахтной сейсмичности в марте 2005 г. в Австралии [35].
Необходимо отметить, что состояние проблемы техногенной сейсмичности теснейшим образом связано с состоянием проблемы сейсмичности природной (тектонической), где в последние годы четко обозначился кризис, обусловленный нерешенностью вопросов средне- и краткосрочного прогноза землетрясений. Трудности надежного краткосрочного прогноза землетрясений объясняются крайне сложной природой сейсмического процесса [36]. «Число
опробованных предвестников уже перевалило за 1 тыс. Из них более 140 зарегистрированы как открытия, а примеров удачного оперативного прогноза землетрясений фактически нет» [37, с. 149]. Поэтому «постепенно во всем мире работы по прогнозу землетрясений свертываются, прекращается финансирование как теоретических исследований, так и наблюдений на геодинамических полигонах, а высвобождающиеся научные силы переключаются на более надежные работы по оценке сейсмического риска и сейсмического районирования, что ставит своей конечной целью определение, с каким запасом прочности надо строить сооружения в сейсмоактивных районах» [38, с. 78]. Апогеем этого кризиса можно считать признание международной группы в составе 10 экспертов из разных стран, созданной но просьбе и поддержке Правительства Италии после разрушительного землетрясения в L'Aquilia 6 апреля 2009 г., в том «...что из-за сложности самого процесса подготовки землетрясения и недостаточности наших знаний об этом процессе высоконадежный прогноз (будет землетрясение или не будет) в обозримом времени недостижим» [39]. Комиссия разработала ряд рекомендаций по развитию вероятностных методов прогноза землетрясений и по практическому использованию их результатов. Аналогичная ситуация складывается и в решении проблемы горных ударов и техногенных землетрясений. Кстати, материалы упомянутого Австралийского симпозиума вышли под общим названием «Управление сейсмическим риском» (Controlling Seismic Risk).
Подобные подходы к оценке геодинамической опасности в рудниках разрабатываются в Горном институте КНЦ РАН. На основе моделей эволюции сложных нелинейных систем предлагается сосредоточить основное внимание не на пространственно-временном прогнозе каждого горного удара, а на оценке пороговых значений параметров эволюции напряженно -деформированного состояния геологической среды в ПТС, определяющих адаптационные возможности среды и уровень геодинамической опасности [32, 40]. На основе результатов многолетних исследований вопросов прогноза и профилактики горных ударов предложена методология управления геодинамическими рисками при ведении горных работ в высоконапряженных массивах скальных пород, отличающаяся тем, что осуществляется прогноз и профилактика не отдельного динамического события, а кризисной области, опасной по динамическим явлениям типа горных ударов и техногенных землетрясений, что позволяет сделать более надежным геодинамический прогноз и существенно повысить безопасность горных работ [41]. Этой методологии будет посвящена очередная монография, которая должна быть логическим продолжением монографии [32], и работа над которой завершается в настоящее время.
В последние годы в связи с обострением ситуации на открытых горных работах, обусловленной, главным образом, достижением предельных глубин карьеров и необходимостью перехода на более дорогостоящие подземные работы, стал актуальным пересмотр прежней концепции определения оптимальных углов наклона бортов. Эффективной реакцией на эту ситуацию явилось развитие в лаборатории нового научного направления - обоснование существенного увеличения углов наклона бортов карьеров в высоконапряженных прочных скальных массивах, что позволяет значительно продлить срок эксплуатации работающих предприятий и обеспечить высокую экономическую эффективность открытых горных работ на вновь вводимых в разработку и на перспективных месторождениях за счет существенного уменьшения коэффициента вскрыши.
Решение этой задачи потребовало создания новой методологии геомеханического мониторинга геологической среды горнотехнических систем. Такая методология создана и впервые в России реализована в полном объеме на карьере «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК».
За этот период сотрудниками лаборатории подготовлены и изданы 28 методических руководств, указаний и технологических инструкций по методике и технике изучения напряженно-деформированного состояния пород в массиве, креплению горных выработок, управлению обрушением подрабатываемых пород, ведению горных работ в удароопасных условиях и другим актуальным вопросам горнорудного производства, а также выполнено большое количество хоздоговорных работ (рис. 2).
о
т
10 5 0
■^■соооосч^гсоооосч^гсоооосч^гсоооосч^гсоооосч
СОСОСОГ'-Г'-Г'-Г'-Г'-ООООООООООООООООООООт-т-
ооооооооооооооооооооооооо
т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-СЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧ
Года
□ указ, инстр. □ х/д
Рис. 2. Динамика подготовки методических указаний, инструктивных материалов ивыполнения хоздоговоров
В 1989 г. Г.А. Маркову, А.А. Козыреву за цикл работ по исследованию напряженного состояния пород и управлению горным давлением в составе авторского коллектива присуждена Г осударственная премия СССР в области науки и техники.
В 2000 г. за разработку и внедрение комплекса мер борьбы с горными ударами на рудниках России в составе авторского коллектива А.А. Козыреву присуждена Премия Правительства Российской федерации в области науки и техники.
Все эти годы вплоть до настоящего времени сотрудники лаборатории регулярно выступают с докладами на всесоюзных - ныне всероссийских совещаниях и на международных мероприятиях. С первых дней своего существования лаборатория поддерживала тесные деловые отношения с ведущими научно-исследовательскими организациями и учебными институтами Советского Союза и России, которые сохраняются и поныне. И, конечно, выполнение большого количества полевых измерений и натурных экспериментов было бы невозможным без плодотворного взаимодействия с проектными организациями и производственными предприятиями, среди которых следует особо упомянуть ОАО «Апатит», ОАО «Ковдорский ГОК», ОАО «Ловозерский ГОК», ЗАО «Северо-Западная фосфорная компания».
Необходимо подчеркнуть, что значимую роль в развитии геомеханики в Г орном институте КНЦ РАН сыграло наличие уникальной природной лаборатории - природно-технической системы «Хибины», заметно эволюционирующей под влиянием как природных факторов -современных тектонических процессов, так и техногенных - крупномасштабных горных работ, меняющих не только внешний облик Хибин, но и активно влияющих на геодинамический режим геологической среды. Всё это дает возможность находить адекватные модели основных геомеханических процессов и верифицировать их в реальных условиях формирования техногенной среды, находить оптимальные технологические решения и проверять их эффективность в процессе ведения горных работ.
Следует отметить, что сотрудники лаборатории активно участвуют в учебном процессе Апатитского филиала Мурманского государственного технического университета и Кольского филиала Петрозаводского государственного университета. Убедительной иллюстрацией этого участия является подготовка и издание (совместно со специалистами Института проблем комплексного освоения недр РАН и Московского геологоразведочного университета) учебного пособия по геомеханике [42], в котором описаны наиболее распространенные методы определения свойств горных пород на образцах и в массиве, освещены вопросы определения напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок экспериментальными и аналитическими методами. Изложены основные закономерности напряженного состояния массива вокруг капитальных, подготовительных и очистных выработок,
. ь. ь 1
,1
детально рассмотрен процесс сдвижения горных пород при разработке полезных ископаемых, проанализированы причины возникновения на рудниках и в шахтах горных ударов и внезапных выбросов пород и газа, методы их прогнозирования и предотвращения.
Таким образом, непрерывное поступательное развитие геомеханических исследований в Горном институте КНЦ РАН в течение 50 лет (рис. 3), объясняется самой логикой эволюции научного знания, основанного на современных научных тенденциях и запросах практики. Важным условием этого развития являются внимание и помощь руководства института и его директора академика Н.Н. Мельникова, который глубоко понимает роль геомеханики в развитии горной науки и активно содействует выполнению этих исследований [43, 44].
60 -|------------------------------------------------------------------------------
50---------------------------------------------------------------------------------
40
■'^ЮСОГ^ООСООч-СМСО-'^ЮСОГ^ООСООч-СМСО-'^ЮСОГ^ООСООч-СМСО-'^ЮСОГ^ООСООч-СМСО-'^ЮСОГ^ООСООч-СМ
СОСОСОСОСОСО|-^|-^|-^|-^|-^|-^|-^|-^|-^|-^00000000000000000000050505050505050505050000000000->-т-т-
0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0000000000000
т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-СЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧСЧ
Года
□ моногр. □ сборн. □ статьи Рис. 3. Динамика издательской деятельности лаборатории
Необходимо подчеркнуть, что эволюция геомеханических исследований в нашем институте выражается не только количеством публикаций различного уровня, но и расширением и углублением научно-методических возможностей получения новых знаний, на основе которых разрабатываются перспективные технологии ведения горных работ: от лабораторных
определений параметров свойств горных пород на образцах и дискретных натурных оценок состояния пород в массиве до современных автоматизированных комплексных систем геодинамического мониторинга природно-технических и горно-технических систем; от построения паспортов прочности горных пород и соответствующих расчётов на их основе до построения математических и численных геомеханических моделей в масштабном диапазоне от горнорудных провинций до отдельной горной выработки; от решения статических задач до системных исследований эволюции напряженно-деформированного состояния геологической среды с учетом ее нелинейных свойств и разработки на этой основе методологии управления геодинамическими рисками.
Эволюции геомеханических исследований в Г орном институте КНЦ РАН содействовало и то, что в лаборатории было создано работоспособное креативное ядро, которое продолжает функционировать и в настоящее время. Хотя за этот период структура института претерпевала неоднократные изменения в связи с угасанием одних направлений и лабораторий и появлением других, что является естественным процессом развития любой сложной системы. Перспективы лаборатории связаны с притоком способной креативной молодежи. Можно сказать, что в судьбе лаборатории геомеханики нашего института как в капле воды отражается состояние дел во всей Российской академии наук, перспективы которой возможны лишь при условии мощного притока
молодежи. Остается надеяться на здравое понимание целей науки и логику поступательного цивилизационного развития страны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Турчанинов И.А. и др. О проявлениях горного давления в капитальных и подготовительных выработках на апатитовом руднике Расвумчорр / И.А. Турчанинов, Г.А. Марков, В.И. Иванов // Технология разработки рудных месторождений Заполярья. М.; Л.: Наука, 1964. С. 71-74. 2. Панасенко Г.Д. Землетрясения на Кольском полуострове 2 и 9. II.1960. // Известия АН СССР. Сер. Геофизическая. 1961. № 4. С. 567-573. 3. Турчанинов И.А. Сдвижение и давление горных пород при разработке крутопадающих жил. М.; Л.: Наука, 1965. 95 с. 4. Турчанинов И.А. и др. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород / И.А. Турчанинов, Р.В. Медведев, В.И. Панин. Л.: Недра, 1967. 200 с. 5. Турчанинов И.А. и др. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве / И.А. Турчанинов, В.И. Панин. Л.: Наука, 1976. - 164 с. 6. Современные проблемы механики горных пород // IV Всесоюзная конференция по механике горных пород: сб. науч. тр. Л.: лО Наука, 1972. 335 с. 7. Булычев Н.С. и др. Влияние академика Н.В. Мельникова на развитие механики горных пород и механики подземных сооружений / Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева // Развитие идей Н.В. Мельникова в области комплексного освоения недр (к 100-летию со дня рождения академика
Н.В. Мельникова): сб. науч. тр. М.: УПАН ИПКОН РАН, 2009. С. 53-54. 8. Одинцев В.Н. Академик Н.В. Мельников и развитие горной геомеханики // Развитие идей Н.В. Мельникова в области комплексного освоения недр (к 100-летию со дня рождения академика Н.В. Мельникова): сб. науч. тр. М.: УПАН ИПКОН РАН, 2009. С. 57-60.
9. Турчанинов И.А. и др. Основы механики горных пород / И.А.Турчанинов, М.А.Иофис, Э.В. Каспарьян. Л.: Недра, 1977. 503 с. 10. Отражение современных полей напряжений и свойств пород в состоянии скальных массивов: сб. научн. трудов. Апатиты: КФАН СССР, 1977. 156 с. 11. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. Л.: Наука, 1977. 213 с. 12. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок / И.А. Турчанинов, Г.А. Марков, В.И. Иванов, А.А. Козырев. Л.: Наука, 1978. 256 с.
13. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. Л.: Наука, 1978. 232 с. 14. Модели изменения напряженно-деформированного состояния массивов пород в приложении к прогнозу землетрясений // Измерение напряжений и их приложение в прогнозе землетрясений: сб. науч. тр. Апатиты: КФАН СССР, 1982. 152 с.
15. Природа и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. Апатиты: КФАН СССР, 1982. 16. Механика горных пород при подземном строительстве и освоении месторождений на больших глубинах. Л.: Наука, 1983. 200 с. 17 Марков Г.А. и др. Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа / Г.А. Марков, С.Н. Савченко. Л.: Наука, 1984. 140 с. 18. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. Л.: Наука, 1985. 184 с. 19. Взаимосвязь геологотектонического строения, свойств и структурных особенностей пород и проявлений избыточной напряженности: сб. науч. тр. Апатиты: КФАН СССР, 1985. 169 с. 20. Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств пород в массиве при отработке месторождений полезных ископаемых: сб. науч. тр. Апатиты: КФАН СССР, 1985. 142 с. 21. Приложение результатов исследований полей напряжений к решению задач горного дела и инженерной геологии: сб. науч. тр. Апатиты: КФАН СССР, 1985. 121 с. 22. Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса (МР 41-06-079-86). М.: ВНИИгеоинформсистем, 1987. - 117 с. 23. Геомеханическое обеспечение разработки месторождений Кольского полуострова: сб. науч. тр. Апатиты: КФАН СССР, 1989. 98 с.
24. Совершенствование технологии подземной разработки маломощных рудных месторождений Кольского полуострова / И.И. Бессонов, В.Н. Боборыкин, А.И. Калашник, А.А. Козырев, А.Н. Любин, В.П. Гуменников. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1989. 166 с. 25. Прогноз и предотвращение гонных ударов на рудных месторождениях: сб. научн. трудов. (VIII координационное совещание по решению проблемы горных ударов при разработке рудных и нерудных месторождений и строительстве подземных сооружений, 1991). Апатиты: КНЦ РАН, 1993. 111 с. 26. Управление горным давление в тектонически напряженных массивах: в 2-х ч. / А.А. Козырев, В.И. Панин, В.И. Иванов и др. Апатиты, 1996. Ч. 1. - 159 с.; Ч. 2. - 162 с. 27. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках. М.: АГН, 1997. 376 с. 28. Глубокие рудоспуски / В.В. Гущин, Ю.А. Епимахов, А.А. Козырев, В.А. Мальцев, В.А. Усынин, Г.М. Еремин. Апатиты: КНЦ РАН, 1997. 195 с. 29. Информационные технологии в горном деле в 2-х частях. Коллектив авторов. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. Ч. 1 - 188 с.; Ч. 2 - 173 с.
30. Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах: сб. науч. тр. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. 259 с. 31. Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. Материалы Международной научной конференции, посвященной 275-летию образования Российской академии наук, 23-25 марта 1999 г.: сб. науч. докл. в 3-х ч. Апатиты: КНЦ РАН, 2001. Ч. 1 - 186 с.; Ч. 2 - 163 с.; Ч. 3. - 203 с. 32. Сейсмичность при горных работах / коллектив авторов; под ред. акад. Н.Н. Мельникова. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 325 с. 33. Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности: сб. науч. тр. Апатиты: КНЦ РАН, 2003. 207 с. 34. Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика: сб. докл. Апатиты: КНЦ РАН, 2004. Ч. 1. - 225 с.; Ч. 2 - 197 с. 35. Controlling Seismic Risk // Sixth International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mires Proceedings (9-11 march 2006, Australia) - Australia: Australia Centre of Geomechaics, 2006. 36. Hiroo Kanamori Earthquake Prediction: Overview // International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology. London: Academic Press, 2003. Part B. - P. 1205-1216. 37. Кондратьев О.К. Прогноз землетрясений. Причины неудач и пути решения проблемы // Оценка и управление природными рисками «Риск-2003». М.: РУДН, 2003. Т. 1. С. 148-152. 38. Любушин А.А. Геодинамический мониторинг: шумы, сигналы, предвестники // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. Кн. 2. С. 70-94. 39. Соболев Г.А. Концепция предсказуемости землетрясений на основе динамики сейсмичности при триггерном воздействии. М.: ИФЗ РАН, 2011. 40. Панин В.И. К прогнозу сейсмической опасности при разработке удароопасных месторождений // Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. С. 66-73. 41. Управление геодинамическими рисками в высоконапряженных
массивах скальных пород / А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев, Ю.В. Федотова // Горное дело в Арктике. СПб.: Типография Иван Федоров, 2005. С. 62-69. 42. Геомеханика: уч. пособие. М.: Высш. шк., 2006. 503 с. 43. Прогноз и профилактика техногенных землетрясений с позиций нелинейной геодинамики / Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, С.Н. Савченко, В.И. Панин, В.А. Мальцев // ФТПРПИ, 2001. № 4. С. 17-31. 44. Мельников Н.Н. и др. Техногенная сейсмичность как отражение эволюции напряженно-деформированного состояния геологической среды в горнорудной природно-технической системе / Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, В.И. Панин // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. М.: ИФЗ, 2009. Т. 2. С. 366-377.
Методические руководства и инструктивные материалы, подготовленные лабораторией геомеханики за период 1960-2012 гг.
1. Временная инструкция по контурному взрыванию при проходке горных выработок в скальных породах (АН СССР, КФАН СССР, ГМИ, Лаборатория механики горных пород). Мурманск: МКИ, 1967. 64 с.
2. Руководство по определению напряженного состояния горных пород в массиве ультразвуковым методом. Апатиты: КФ АН СССР, 1970. 73 с.
3. Рекомендации по отработке участков Хибинских апатитовых месторождений в условиях высокого горного давления. Апатиты: КФ АН СССР, 1972. 28 с.
4. Руководство по креплению горных выработок железобетонной штанговой крепью на рудниках комбината «Апатит». Апатиты: КФ АН СССР, 1972. 33 с.
5. Экспериментальное определение полного тензора напряжений в массиве горных пород (методическое руководство). Апатиты: КФ АН СССР, 1973. 37 с.
6. Оптимизация параметров и технологических процессов систем подземной разработки недр. Апатиты: КФ АН СССР, 1974. 176 с.
7. Методические указания по численному расчету динамических воздействий на породный массив и выработки. Апатиты: КФ АН СССР, 1976. 35 с.
8. Инструкция № 112 по креплению горных выработок на рудниках производственного объединения «Апатит». Кировск: Кировский рабочий, 1976. 52 с.
9. Методические указания по прогнозу устойчивости и поддержанию выработок на глубинных горизонтах Хибинских рудников. Апатиты: КФ АН СССР, 1977. 71 с.
10. Проходка сверхглубоких рудоспусков на Центральном руднике производственного объединения «Апатит» (информационно-методические материалы). Кировск: КФ АН СССР, 1982. 40 с.
11. Методические указания по сооружению протяженных вертикальных выработок способом снизу вверх в высоконапряженных породах. Апатиты: КФ АН СССР, 1983. 86 с.
12. Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатитонефелиновых месторождениях склонных к горным ударам. Апатиты; Кировск: КФ АН СССР, 1985. 85 с.
13. Методика расчета и выбора крепи очистных блоков для условий рудника «Карнасурт». Апатиты: КФ АН СССР, 1986. 25 с.
14. Технологическая инструкция по креплению выработок на рудниках производственного объединения «Апатит»им. С.М.Кирова. Кировск: Кировский рабочий, 1988. 86 с.
15. Инструкция по креплению выработок на рудниках производственного объединения «Апатит» им. С.М. Кирова. Апатиты; Кировск: КФ АН СССР, 1988. 67 с
16. Указания по безопасному ведению горных работ на Ловозерском месторождении, склонном к горным ударам. - Апатиты: КНЦ РАН, 1988. 68 с.
17. Указания по управлению обрушением покрывающих пород на подземных рудниках производственного объединения «Апатит» им.С.М. Кирова. Апатиты: КНЦ РАН, 1988. 25 с.
18. Временные указания по приведению выработок в неудароопасное состояние методом бурения разгрузочных скважин и шпуров на рудниках производственного объединения «Апатит». Апатиты; Кировск: КНЦ РАН, 1989. 20 с.
19. Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатитонефелиновых месторождениях, склонных к горным ударам. Апатиты: КНЦ РАН, 1992. 66 с.
20. Разработка методических принципов диагностики тектонических напряжений в верхней части земной коры с целью управления динамическими проявлениями горного давления. Апатиты: КНЦ РАН, 1994. 66 с.
21. Проект опытно-промышленного участка с вертикальными откосами уступов на II очереди рудного РДКК (карьер рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК») / В.А. Александров, А.Н. Быховец, Б.В. Славский, Г.Е. Тарасов (ОАО «Ковдорский ГОК»), А.А. Козырев,
Э.В. Каспарьян, С.П. Решетняк, В.В. Рыбин (Горный ин-т КНЦ РАН), 1999-2000 г. 107 с. (включая приложения и дополнительные материалы).
22. Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 51 с.
23. Геомеханическое и техническое обоснование возможности укручения бортов карьера рудника «Железный» в конечном положении / Регламент (по х/д № 22101); Горный ин-т КНЦ РАН; ФГУП ВИОГЕМ; Апатиты, 2002 г. 320 с.
24. Инструкция по креплению горных выработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит. Апатиты; Кировск: КНЦ РАН, 2003. 73 с.
25. Переработка «Указаний по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатит-нефелиновые месторождения). 2010.
26. Инструкция по креплению горных выработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит». 2011.
27. Экспертная система: Исследование закономерностей перераспределения полей
напряжений при отработке глубоких горизонтов подземных рудников ОАО «Апатит» для обоснования технических решений по повышению безопасности и эффективности горных работ, 2011.
28. Инструкция по креплению горных выработок на месторождении апатит-нефелиновой руды Олений ручей. 2012.
29. Методические указания по безопасному ведению горных работ в удароопасных условиях месторождения апатит-нефелиновой руды Олений ручей. 2012.
30. Технологический регламент «Отработка запасов месторождения «Плато Расвумчорр» рудником «Центральный». 2012.
31. Регламент на укручение бортов карьера месторождения апатит-нефелиновой руды Олений ручей». 2012.
Сведения об авторах
Козырев Анатолий Александрович - д.т.н., профессор, Заслуженный деятель науки РФ,
зам. директора Института по научной работе; e-mail: [email protected]
Панин Виктор Иванович - к.т.н.; с.н.с., вед. научный сотрудник; e-mail: [email protected]
