CC BY
36
УДК 622.831
Л.М. Цинкер, С.М. Смирнов, Е.М. Лапшин ВосНИГРИ, Новокузнецк
КОНТРОЛЬ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЙ, ГОРНОГО МАССИВА НА ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКАХ ОАО «ЕВРАЗРУДА» ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ
L.M. Tsinker, S.M. Smirnov, E.M. Lapshin
East Scientific Research Ore Mining Institute (VostNIGRI)
19, Klimasenko Ul., Novokuznetsk, 654038, Russian Federation
CONTROL OF STRESSES LEVEL, ROCK MASS IN UNDERGROUND ORE MINES OF THE OPEN JOINT STOCK COMPANY «EVRAZRUDA» FOR PROVIDING OF GEODYNAMIC SAFETY OF MINING WORKS
The Institute VostNIGRI many years has been conducting the control of stresses level of the iron and rock mass in the iron ore deposits in the South of the West Siberia. The mechanism of the stresses distribution, depending on the depth of mining, in the area of stoping works has been determined.
С понижением горных работ при отработке месторождений подземным способом в институте, созданном 50 лет назад по решению Правительства РФ для научного обеспечения вовлекаемых в отработку железорудных месторождений юга Западной Сибири, были сформированы лаборатории геомеханического направления: сдвижения, горного давления, горных ударов. Учеными института (Шрепп Б.В., Бояркин В.И., Квочин В.А. и др.) разработаны методики контроля уровня напряжений горного массива, по которым ведутся многолетние наблюдения.
Отрабатываемые подземным способом железорудные месторождения юга Западной Сибири (Таштагольское, Шерегешевское, Казское, Абаканское) расположены в районе, характеризуемом повышенной сейсмической активностью. Сейсмическая активность связана с интенсивными неотектоническими процессами, протекающими в Алтае-Саянской складчатой области с преобладанием горизонтальных тектонических напряжений над вертикальными. В тектоническом отношении [1] район представляет собой сложно построенный антиклинорий, характерной особенностью которого является сильное сжатие в северной части. Район разработки железорудных месторождений Горной Шории и Хакасии приурочен к одному из основных глубинных разломов Алтае-Саянской складчатой области. Глубинные разломы являются структурными швами, вдоль которых постоянно происходят движения тектонических блоков.
Крупнейшими геотектоническими элементами региона являются Алтайское и Восточно-Саяно-Ханганское поднятие. Согласно данным регионального геодинамического районирования ориентировка максимальных действующих горизонтальных напряжений на рудниках
Горной Шории и Хакасии совпадает с направлением геологических разломов северо-западного простирания. Это свидетельствует о сжимающем усилии в северо-западном направлении. Характерно, что максимальные горизонтальные напряжения в 2,5-3 раза превышают вес столба налегающих пород и на соответствующих глубинах вызывают проявление горных и горнотектонических ударов с энергией 109 - 1010 Дж, мощных толчков при проведении массовых взрывов.
В настоящее время горно-тектонические удары, собственно горные удары и микроудары наблюдаются на Таштагольском и Шерегешевском месторождениях. На Казском и Абаканском месторождениях фиксируются стреляния и толчки, относящиеся к динамическим проявлениям меньшего энергетического класса и разрушительной силы.
Одновременно с контролем уровня напряжений решаются проблемы горных ударов и прогнозирования удароопасности месторождений. Выполняется геометризация участков опасного состояния массива и разрабатываются профилактические мероприятия по устранению опасности. Изучение уровня напряжений на месторождениях осложняется недостаточной разработанностью основ механики массива горных пород, непрерывностью и дискретностью развития деформационных процессов.
Используемый феноменологический метод изучения напряжений массива горных пород имеет погрешности из-за отличия свойств и поведения массива от аналогичных показателей образца, взятого в той или иной его части. Профессор, доктор технических наук И.М. Петухов, определяя дальнейшие пути развития теории горных ударов [2], указывает на особую значимость создания комплексных наблюдательных станций за поведением массива горных пород в горных выработках с использованием маркшейдерских и геофизических методов исследований. По его мнению, методы должны быть организованы в условиях типовых отрабатываемых месторождений. Организация наблюдательных станций в массивах значительной протяженности способствует дальнейшему развитию и решению методических основ геодинамики и обеспечению условий безопасной отработки удароопасных месторождений.
Контроль уровня напряжений по горным выработкам позволяет пространственно оценить удароопасность массива. На основе прямых измерений смещений и деформаций устанавливаются активные структурные элементы и процессы, ответственные за увеличение концентраций напряжений. Это позволяет предвидеть ход дальнейшего их развития и производить опережающую целенаправленную диагностику массива, осуществляя взаимную корреляцию геодезических и геофизических методов наблюдений.
Институтом ВостНИГРИ на основе многолетних исследований разработана методика оценки состояния массива по данным периодических наблюдений за сдвижением глубинных реперов, закладываемых в горных выработках и скважинах в рудных и породных массивах по направлениям максимального деформирования и перпендикулярным к ним напряжениям до
попадания участков в зону существенного перераспределения напряжений под влиянием очистных работ.
По результатам измерения смещений глубинных и контурных реперов определяются приращения напряжений, произошедшие с момента закладки реперных станций. Реперные наблюдательные станции успешно осуществляют контроль уровня напряжений на Казском, Таштагольском, Шерегешском и Абаканском месторождениях. Отработка Казского, Таштагольского, Шерегешского, Абаканского месторождений ведется на глубинах от 600 до 900 метров от поверхности. Уровень напряжений на вышеуказанных глубинах железорудных месторождений определяется методами полной и щелевой разгрузки. Установлено, что с глубиной отработки уровень напряжений на месторождениях повышается (рис. 1). В табл. 1 показаны изменения максимальных горизонтальных напряжений для железорудных месторождений юга Западной Сибири в зависимости от глубины отработки месторождений.
Рис. 1. Изменение максимальных горизонтальных напряжений (5тах) с
глубиной (Н)
Таблица 1. Изменения максимальных горизонтальных напряжений железорудных месторождений юга Западной Сибири с глубиной отработки
Глубина отработки, м Максимальные горизонтальные напряжения на месторождениях, МПа
300 Казское Таштагольское Шерегешское Абаканское
33,1 43,0 42,2
400 27,9 42,7 51,8 54,4
500 56,4 52,3 60,6 66,6
600 53,7 61,9 69,4 78,8
700 54,6 71,5 78,2 91,0
800 81,1 87,0 103,2
900 90,7 95,8 115,4
1000 100,3 104,6 127,6
Определено возрастание максимальных горизонтальных напряжений с глубиной отработки месторождений, которое составляет для Казского месторождения - 0,089 МПа/м, Шерегешского месторождения - 0,088 МПа/м, Таштагольского месторождения - 0,096 МПа/м, Абаканского месторождения - 0,122 МПа/м.
Установлено соотношение горизонтальных(5гор) и вертикальных (5верт) напряжений по месторождениям:
3 ^агд
Казское: —— = 2,4 ; Таштагольское: = 2,5 ;
аадо аадо
3 3' агд
Шерегешское: —— = 2,6 ; Абаканское: — = 3 .
аадо аадо
В зоне очистной выемки происходит перераспределение естественного поля напряжений, изменяются направления главных напряжений направленных вкрест простирания залежи и их абсолютные значения. При
системах разработки с обрушением горных пород ниже уровня очистной
выемки происходит концентрация горизонтальных сжимающих напряжений, направленных вкрест простирания залежи. Концентрация обусловлена «эффектом вруба». Вес обрушенных пустых пород становится меньше первоначальной величины давления массива, равновесное состояние нарушается, вследствие чего происходит формирование нового поля напряжений. Концентрация горизонтальных напряжений на уровне днища блока составляет 6 уН, на 30 м ниже днища блока достигает 8 уН. Следует заметить, что величины коэффициентов концентрации, полученные теоретически для упругого изотропного массива являются завышенными, но характер перераспределения напряжений сохраняется. При наличии разрывных нарушений с увеличением глубины отработки месторождений и, следовательно, с ростом абсолютного значения напряжений породы могут смещаться в выработанное пространство. Небольшие подвижки по плоскостям трещин приводят к значительной разгрузке массива от напряжений. Вследствие этого максимальные значения снижаются и перемещаются вглубь массива.
Исследования показали [3], что методом полной разгрузки в зоне очистной выемки в условиях Таштагольского месторождения подтверждается характер перераспределения напряжений. Коэффициент концентрации главных максимальных напряжений, действующих вкрест простирания на гор. +140; +70; ±0; -70 м изменяется в пределах 3,9-5,4 уН, составляя в среднем 4,5 уН, то есть на 43% ниже теоретически вычисленного.
Выполняемый институтом ВостНИГРИ постоянный контроль за уровнем напряженного состояния массива пород и руд на участках ведения горных работ даёт возможность производственникам выполнять мероприятия по снижению удароопасности горных массивов и обеспечивать снижение динамических проявлений горного давления, а также их энергетического уровня, сведения к минимуму ущерба от последствий возможных горных ударов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грицюк Я.М. Новейшая тектоника и геодинамика западной части Алтае-Саянской горно-складчатой области // Методы дистанционного исследования для решения природоведческих задач. Материалы 4 сессии научно-координационного совещания по аэрокосмическим исследованиям природных ресурсов. - Новосибирск, 1986.
2. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр /И.М.Петухов, И.М.Батугина. -М.: Недра коммуникейшенс ЛТД, 1999.
3. Лапшин Е.М., Шрепп Б.В., Бояркин В.И., Нештун Н.И., Сопин А.И. Исследование параметров тектонического поля напряжений на глубоких горизонтах Таштагольского месторождения / Е.М. Лапшин, Б.В.Шрепп, Н.И.Нештун, А.И.Сопин // Семинар по изучению напряжений в массиве горных пород. - Новокузнецк, 1985. - С. 1117.
© Л.М. Цинкер, С.М. Смирнов, Е.М. Лапшин, 2009
