Обеспечение геодинамической безопасности при освоении недр Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Чжун Чан, В.И. Г олик, В.Б. Заалишвили, 2010

УДК 622.831

Чжун Чан, В.И. Голик, В.Б. Заалишвили

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР

Дан анализ связи горных работ с сейсмическими и гравитационными полями напряжений. Определен комплекс геомеханического обеспечения горных работ. Приведены результаты моделирования вариантов технологий управление массивом, различающиеся учетом геодинамики. Сформулирован феномен потери устойчивости как сложение потенциала энергии упругого сжатия пород и энергии упругих деформаций в процессе горных работ.

Ключевые слова: динамика, устойчивость, горные породы, деформации, горные работы, напряжения, месторождение, геомеханика, сейсмика, литосфера, оптимизация.

А нализ геологических предпосылок формирования литосферы характеризует сложно-струк-турный массив как среду с незакономерно изменяющимися энергетическими характеристиками. Поведение такой среды при нарушении природного геодинамиче-ского баланса адекватно сопровождается перераспределением энергии и высвобождением ее при превышении предельных для данных условий параметров.

Наиболее опасные проявления горного давления происходят на участках сочленяющихся структурных нарушений, сложенных прочными, но разрушенными и ослабленными породами.

Эффективность разработки сложноструктурных месторождений во многом определяется уровнем технологически создаваемых напряжений в целиках, горных выработках и сводах нарушенных пород над ними, формирующихся под влиянием техногенных и природных факторов

Перераспределяющиеся в процессе горных работ напряжения вызывают хрупкое разрушение слагающих массив пород. Если первичное поле напряжений

зависит от гравитационных и тектонических сил, действующих в массиве, то вторичное - определяется технологией разработки.

Г орные выработки существуют в сейсмических и гравитационных полях напряжений, образованных естественными и техногенными динамическими явлениями, и реагируют на изменение параметров полей в результате взаимодействия природной и техногенной сейсмики.

Одной из важных причин деформаций массива является возникновение собственных колебаний в породах, которые под воздействием сейсмики вибрируют и отслаиваются по контактной поверхности даже при слабых землетрясениях в окрестностях массива [1].

В литосфере Земли перманентно происходят динамические явления, в том числе землетрясения малых масштабов. Любое горнотехническое сооружение в течение всего срока своего существования находится в поле напряжений и перемещений, вызванных сейсмическим действием естественных и техногенных динамических явлений, например, вызванных взрывами.

В результате сейсмических воздействий в выработках возникают знакопеременные напряжения, усиливающие гидростатические напряжения, также имеющие максимумы в данных областях. Во времени этот процесс характеризуется тем, что напряжения одного знака возникают в противоположных углах целика: с одной стороны у контакта с потолочиной, с другой стороны у основания.

Хотя интенсивность динамических напряжений намного меньше статических напряжений, их роль в механизме разрушения значительна, тем более, что в отдельных участках целика одновременно действуют положительные и отрицательные напряжения.

Динамический характер потери устойчивости объясняется сложением потенциала энергии упругого сжатия пород и энергии упругих деформаций в процессе горных работ, поэтому профилактика динамических процессов обеспечивается минимизацией напряжений посредством раскройки месторождения на геомеханически безопасные участки.

Одним из основных вопросов эксплуатации месторождения является выбор параметров управления природными и искусственно созданными в его границах массивами. Если массив представляет собой систему напряжений, сконцентрированных в краевых частях выработок и над целиками, и увязана с полями напряжений рядом расположенных участков, то появляется возможность управлять его состоянием, применяя ориентированные на учет напряженности и деформаций технологии добычи руд.

Управление состоянием массива состоит в регулировании уровня напряжений и деформаций путем назначения достаточных по размерам и прочности несущих элементов. Оно сводится к соз-

данию таких условий, при которых напряжения в элементах массива не превышают критических и не сопровождаются разрушающими массив деформациями.

Решение задачи управления массивом предполагает раскройку шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки с помощью целиков, которые могут упрочняться технологическими средствами [2].

При подземной разработке месторождений основную роль в управлении массивом играют рудные целики, оставляемые в местах потенциальных критических напряжений и деформаций. При использовании интенсивных вариантов систем разработки запас руды в целиках увеличивается, увеличивая невосполнимые потери при оставляемых целиках и одновременно потери и разубожива-ние в извлекаемых целиках.

Напряжённое состояние узких меж-дукамерных столбчатых и ленточных целиков является, соответственно, одноосным или двухосным. Вблизи массивных панельных или барьерных целиков и границ залежи они разгружены от горного давления.

В широких целиках распределение напряжений по сечению неравномерно и зависит от механических свойств материала целика, почвы и кровли. В целиках, сложенных крепкими, хрупкими породами, напряжения концентрируются у стен. В пластичных породах у стенок целика напряжения уменьшаются. В средней части широкого целика образуется ядро, находящееся в объёмном напряжённом состоянии, что повышает несущую способность целика. Это дает возможность изменять размеры целика в соответствии с действующими напряжениями.

Сверхзадачей системы управления состоянием природно - технической гео-

системы является оптимизация внутренних отношений энергетических потоков внутри системы по критериям эффективности, безопасности и полноты использования недр.

Управление состоянием массива сводится к такому решению модели, при котором обеспечивается не превышение напряжений некоторой критической для данных пород величины. Зона, в пределах которой это условие обеспечивается, находится под защитой рудного тела и состояние массива безопасно.

Недостатком большинства расчетов является то, что исходные данные для них получаются в ходе технологического воздействия на массив и уже отражают начальную фазу реакции массива на вторжение в него. Исходя из приоритета охраны труда, параметры управления массивом нередко завышают введением коэффициента запаса, что сопровождается увеличением невосполнимых потери при оставляемых целиках и одновременных потерь и разубоживания при извлечении целиков.

Более точные результаты прогноза поведения дает метод конечных элементов, рассматривающий массив как совокупность дискретных элементов, границы которых определяются узловыми точками, и предполагающий, что реакция континуума на внешнее воздействие может быть описана реакцией узловых точек.

Параметры устойчивости массива могут быть оптимизированы уже на стадии пред- проектного прогноза на основании исследования условий разработки месторождения.

Одной из задач прогнозирования является оценка сейсмоопасных участков литосферы с использованием инженерно-геологических исследований и ретроспективной информации при комплексном учете природных и техноген-

ных факторов эксплуатации месторождений.

Комплекс геомеханического обеспечения горных работ включает наблюдения за состоянием горного массива и их интерпретацию, в т.ч.:

- анализ и прогноз геомеханических последствий работ с учетом полей напряжений, деформаций, коэффициента опережения выработок;

- оценку несущей способности и уда-роопасности целиков;

- определение технологий и объема заполнения пустот материалами;

- разработку мероприятий по предотвращению разрушения массива.

Оценка устойчивости целиков проводится по критическим нагрузкам и несущей способности целиков сравнением расчетных деформаций с фактическими. Методика отличается от известных тем, что расчет параметров горных работ ведется по условию не превышения критических значений напряжений [3].

Условия применения методики:

- породы с упругими свойствами и способностью к хрупкому разрушению;

- напряжения в нетронутом массиве соизмеримы с прочностью на сжатие;

- склонность пород к динамическим формам проявления горного давления.

Параметрами управления состоянием массива являются: h - высота зоны влияния горных работ на массив, м; Ь -ширина целика, разделяющего массив на участки, м; 1 - пролет безопасного участка заклинивания пород, м.

Для условий Садонского месторождения нами сравниваются варианты технологий управление массивом: 1-й вариант - на основе традиционных расчетов без учета сейсмики и 2-й вариант -на основе уточненных расчетов с учетом сейсмики.

При 1-м варианте потери имеют большую величину, потому что назна-

чаются с запасом в 1,15-1,5 раза. Исходя из повышенной несущей спо-собности целика, выбирается больший допустимый пролет обнажения кров-ли. Игнорирование потенциальной возможности сейсмических колебаний приводит к тому, что ослабление целика сопровождается повышенным разубоживанием руды вмещающими породами.

При 2-м варианте с учетом потенциальной возможности сейсмических колебаний размеры целиков могут быть и больше и меньше полученных по 1-му варианту, но разубоживание будет меньше за счет оптимизации размеров целика и опирающегося на него пролета очистной выработки.

Геометризированная модель, имитирующая рудное поле месторождения «Джимидон», разделена на геомехани-ческие участки с помощью целиков и очистных пространств между ними. Параметры разделения рассчитаны 2- мя сравниваемыми методами.

Исходные данные для расчетов:

Н' = 60 м; ^ = 20 м; h = 15 м;

Lф = 225 м; т = 6 м; а = 80°;

Ф = 50°; dl = d2 = 1,0 м;

R'сж = R"сж = 600 кг/см2; у = 2,7 т/м3.

Оптимизация параметров управления массивом осуществляется повышением их точности за счет введения коэффициента, учитывающего природную и наведенную сейсмичность Кс: а

Кс = 1 + -^,

С ГН з

где у - объемный вес пород, т/м ; Н -

глубина работ,; ас - амплитуда динамических напряжений в массиве:

ас = Рсуа,

где с - скорость распространения в массиве продольной сейсмической волны,

м/с; р - плотность пород; у0 - амплитуда скорости смещения частиц: 0,08 м/с, 0,16 м/с и 0,32 м/с для сейсмической интенсивности 7, 8 и 9 баллов соответственно.

Сейсмический коэффициент представляет собой отношение полного давления к давлению без учета сейсмической составляющей и вводится в расчетные формулы как коэффициент, понижающий прочность пород на сжатие:

Ясж ^сж/Кс.

Для 8-балльной зоны из условий у0 = 0,16 м/с, модуль упругости и коэффициент Пуассона Е = 61010 Па, и л = 0,2 скорость распространения продольной сейсмической волны в массиве:

А = -

/иЕ

0,2 • 6-10

(1 + и)(1 - 2и) (1 + 0,2)(1 - 2 • 0,2)

= 1,67-1010 Н/м2

Е 6-1010

О = -

2(1 + и) 2(1 + 0,2)

= 2,5-1010 Н/м2

Я + 2О

с =

Р

V

1,67 -1010 + 2 • 2,5 -1010

= 4970 м/с

2,7 -103

ас = рсу0 /2 = 2,7 • 103 • 4970 • 0,16/2 =

= 1,05 •106Па = 1,05 МПа

Сейсмический коэффициент:

К = 1 + а = 1 +---1,035 •|°--------= 1,08

с уН 2,7•Ю3 • 9,8• 500

Сравнение расчетов по базовому варианту и с учетом сейсмического коэффициента (рисунок) показывает, что с увеличением ширины камер расхождение становится большим - ширина целика должна быть увеличена по сравнению с базовым вариантом.

Таблица 1

Методы расчета Параметры элементов управления, м

блоковые целики пролеты обнажений высота зоны влияния

Без учета сейсмики 6,7 24 12

С учетом сейсмики 6,1 20 10

Параметры управления массивом: без учетом сейсмического коэффициента (сплошная линия 1) и с учетом его (пунктирная линия 2)

100-^=100-^1.100 = 9.1%

Ьб

6,7

Если принять размеры целика постоянной величиной, учет сейсмического коэффициента приводит к уменьшению ширины камер, причем на большую величину по сравнению с увеличением размера целика. Оптимум достигается при незначительном умень-шении величины Ь с одновременным уменьшением I, но на меньшую величину, чем при постоянном Ь.

Итоги оптимизации параметров управления с учетом геодинамики сведены в табл. 1.

Потери в целиках уменьшились, несмотря на введение коэффициента сейсмичности, потому что исчезла необходимость в коэффициенте запаса ввиду повышения точности расчета:

Разубоживание руды породами, отслаивающимися в пределах пролетов выработок, уменьшилось, несмотря на введение коэффициента сейсмичности, потому что реальная ширина целиков увеличилась:

100- ^(Ш-20^ = 17%

1б 24

При экономическом моделировании возможностей сравниваемых методов управления массивом использованы данные Садонского свинцово -цинкового комбината (табл. 2).

Экономическая эффективность оптимизированного варианта на 7% превышает показатель базового варианта, несмотря на некоторое удорожание работ (5%) при разделении месторождений на геомеханически сбалансированные участки.

Снижение ущерба от потерь руды и ее разубоживания налегающими и боковыми породами компенсирует увеличение затрат на подготовку и нарезку рудного тела.

Снижение ущерба от потерь руды и разубоживания компенсирует увеличение затрат на добычу за счет повышения надежности расчетов и формирует прибыль.

Выводы

1. Динамический характер потери устойчивости объясняется сложением потенциала энергии упругого сжатия

Таблица 2

Моделирование экономических показателей

Показатели Единицы Варианты

1 2

Балансовые запасы руд тыс. т 100 100

Содержание металла в запасах % 4 4

Количество металла в запасах тыс. т 4 4

Потери руды в целиках % 20 18

Разубоживание руды % 40 33

Количество добываемой горной массы тыс. т 120 115

Количество металла в горной массе тыс. т 3.2 3.3

Содержание металла в горной массе % 2,7 2,9

Извлекаемая ценность 1 т добытых металлов т. руб. 24 24

Стоимость добытых металлов т. руб. 76800 79200

Затраты на добычу 1 т горной массы т. руб. 6 6,3

Затраты на добычу руд при горном переделе т. руб. 72000 72500

Прибыль от добычи руд т. руб. 6320 6700

Удельная прибыль от добычи 1 т металлов т. руб./т 2,0 2,03

Удельная прибыль на 1т запасов руды руб./т 6,3 6,7

Экономический эффект на 1т запасов руды % 100 107

пород и энергии упругих деформаций в процессе горных работ, поэтому профилактика динамических процессов обеспечивается минимизацией напряжений посредством раскройки месторождения на геомеханически безопасные участки.

2. Контроль сейсмоопасных участков литосферы осуществляется путем оптимизации методов оценки динамической опасности при комплексном учете природных и техногенных факторов эксплуатации месторождений.

1. Мельков Д.А., Заалишвили В.Б. Моделирование параметров управления массивом при подземной разработке месторождений. М. 2008.12 с. Деп. в МГГУ. 12.09.08. № 659/11-08.

2. Исмаилов Т.Т., Логачев А.В., Голик В.И. Геодинамические процессы в

3. Управление состоянием массивов основывается на учете сопряженного действия гравитационных, тектонических и сейсмических сил природнотехногенного происхождения.

4. Задачей системы управления состоянием массива является оптимизация внутренних отношений энергетических потоков внутри системы по критериям эффективности, безопасности и полноты использования недр.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

скальных массивах. МГГУ. ГИАБ. 2008. №11.

3. Мельков Д.А. Концепция оптимизации параметров управления массивом. орный информационно-аналитический бюллетень. №12. 2008. НШЗ

Коротко об авторах

Чжун Чан - Китайский геологический университет (Пекин), , [email protected].

Голик В.И. - профессор, доктор технических наук, Центр геофизических исследований РАН, г.Владикавказ, РСО - Алания, [email protected].

Заалишвили В.Б. - профессор, доктор физико-математических наук, Центр геофизических исследований, г.Владикавказ, РСО- Алания, [email protected].