CC BY
40
УДК 622.831.32 А.В. Ловчиков
ОПАСНОСТЬ ГОРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ УДАРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ СБЛИЖЕННЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ *
Об опасности горных ударов при отработке сближенных пластов обычно предостерегают при отработке угольных месторождений. В практике эксплуатации рудных месторождений такие обстоятельства более редки, но также могут иметь место. Это, в частности, отражено в «Инструкции по безопасному ведению горных работ ...» [1], однако настолько фрагментарно и схематично, что ее материалы могут быть полезными для практического применения лишь в отдельных случаях. Схемы эксплуатации рудных тел, рассмотренные в инструкции [1], рассчитаны, в основном, на гравитационное поле естественных напряжений в массивах, тогда как в массивах удароопасных рудных месторождений преобладают гравитационно-тектонические поля напряжений с преимущественной горизонтальной ориентировкой максимальных напряжений [2]. Поле напряжений вокруг выработок в таком случае становится весьма сложным и неоднородным, вследствие чего для определения зон концентрации напряжений и потенциальных горных ударов в каждом конкретном случае необходимо решать сложную математическую задачу.
Насколько серьезным фактором является влияние отработки одной рудной залежи на другую, можно проследить на примере сильнейшего горно-тектонического удара (техногенного землетрясения) 17.08.1999 г. на руднике «Умбозеро» Ловозерского редкометального месторождения, расположенного в центре Кольского полуострова. Описание самого сейсмического события и его последствий дано в работах [3, 4], поэтому в настоящей работе подробно не рассматривается. Напомним только, что указанное собы-
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-05-65154)
тие, в результате которого были разрушены горные выработки рудника «Умбозеро» на площади более 600 тыс. м2, явилось сильнейшим сейсмическим событием такого рода (магнитуда М = 4.5; выделенная сейсмическая энергия Е = 10115 Дж) за всю историю эксплуатации российских рудников.
Рудник «Умбозеро» отрабатывает две пластообразные, согласно залегающие пологопадающие рудные залежи, расстояние между которыми по вертикали составляет 50-60 м. Мощность нижней залежи (пласт Ш-14) - 2.5 м, верхней (пласт Ш-10) - 5 м, угол падения каждой из них составляет в среднем 17°. Глубина разработки нижней залежи - 200-420 м от поверхности. Отработка нижней залежи, для выемки которой, собственно, и был построен рудник, началась в 1984 году. Верхняя залежь, руда в которой первоначально считалась некондиционной по содержанию полезного компонента, стала отрабатываться только в 90-х годах над отработанной частью нижней залежи, в порядке опытно-промышленных работ. Общая площадь отработки по нижней залежи, на которой расположена основная часть подготовительных и очистных выработок рудника, достигла протяженности около 2000 м по простиранию при ширине до 500 м по падению.
Массив рудника сложен однородными по деформационнопрочностным свойствам породами и рудами, прочность на сжатие которых составляет ос = 190^330 МПа, то есть имеет весьма высокие значения. Массив рудника является высоко тектонически-напряженным. Как установлено экспериментальными исследованиями Горного института КНЦ РАН, естественное гравитационнотектоническое поле напряжений массива характеризуется следующими значениями компонент напряжений: 03 = (50^60) МПа; о = (6^7) МПа; соотношение компонент напряжений 03:02:01 = (7^10):(3^5):1. Направление максимальных напряжений сжатия в массиве составляет Ао3 = =(230°^265°)+180°; направление минимальной гравитационной компоненты 03 - вертикальное. Простирание обеих рудных залежей - меридиональное, вследствие чего откаточные штреки, разделяющие шахтное поле по падению рудных тел на выемочные панели, пройдены в меридианальном направлении. Направление максимальных напряжений в массиве, как видно из приведенных данных, ортогонально направлению осей штреков. Вследствие этих обстоятельств, в процессе проходки
штреков систематически наблюдались динамические проявления горного давления в кровле и забоях. Еще в процессе строительства, до начала эксплуатации, в 1978 г. рудник отнесен Госгортехнадзором к угрожаемым по горным ударам.
Для отработки как нижней, так и верхней залежей, применяется камерно-целиковая система. Камеры, как на верхней, так и на нижней залежи располагаются длинной осью по простиранию, либо по падению залежей, имеют ширину 15-20 м при длине 60-200 м. Для поддержания покрывающих пород применяются ленточные целики, шириной 3-15 м, оставляемые между камерами и вокруг капитальных выработок. На нижней залежи около 50% запасов оставлено в целиках, главным образом для того, чтобы не осложнить отработку вышележащей залежи. В дальнейшем предполагалось их отработать во 2-ю и 3-ю очередь, после закладки выработанного пространства.
Проектирование рудника осуществлялось институтом Гиред-мет. Поскольку в рассматриваемых условиях, в силу указанных выше обстоятельств, был нарушен обычный порядок отработки пластов - сверху вниз, опытно-промышленной отработке залежи Ш-10 предшествовали многочисленные расчеты конструктивных параметров систем отработки на обеих рудных залежах [5, 6]. В результате для опытно-промышленных работ на вышележащей залежи были выбраны такие конструктивные размеры камер и целиков, которые обеспечивали их устойчивость и безопасность горных работ. Направление длинных осей камер, по рекомендациям Горного института КНЦ РАН, совмещали с направлением максимальных напряжений в массиве (265°+180°±30°). Как показали результаты работ, на протяжении нескольких лет их проведения, указанные параметры камер и целиков обеспечили их устойчивость при отработке вышележащей залежи Ш-10.
Эксплуатация нижней рудной залежи Ш-14 на всем протяжении сопровождалась динамическими проявлениями горного давления в виде стреляния, шелушения, заколообразования пород, главным образом, в забоях подготовительных, нарезных и очистных выработок. Указанные проявления явились следствием высокого уровня гравитационно-тектонических напряжений в массиве. В некоторых случаях динамические проявления Таблица 1
Характеристика последствий горно-тектонических
Дата Магнитуда Местоположение очага Последствия
события события на плане горных работ средняя глубина, м
25.10.1991 03.11.1991 09.11.1991 2. 2 •I- 2. 6 Блок 1ю 300 Обрушение кровли в камерах, разрушение откаточных штреков на площади ~80 тыс. м2; горные работы в блоке прекращены.
30.11.1992 1.5 Блок 3 с 250 Вывалы в камерах 6/230-10/230, 5/210 до 400 м2.
17.08.1999 4^ 0 • 4^ 4 Блоки 1с-3с 300 Разрушение штреков, капитальных транспортных выработок и очистных камер на площади 600650 тыс. м2. Полная остановка рудника на 3.5 месяца.
горного давления приобретали форму горных и горнотектонических ударов. Всего в период эксплуатации рудника официально зарегистрировано три горно-тектонических удара [7] (табл. 1).
В действительности сильных динамических событий с магнитудой М = 1^2 (по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН) в массиве рудника «Умбозеро» было значительно больше, однако, вследствие незначительных последствий в руднике, многие из них не документировались. Отметим только, что все эти события были приурочены к выработкам нижней рудной залежи Ш-14. При опытно-промышленной отработке вышележащей рудной залежи Ш-10 сильных динамических проявлений горного давления не отмечалось.
Для полноты горно-технической характеристики рудника следует заметить, что шахтное поле нижней рудной залежи разделено в центре на северный и южный фланги мощным ленточным целиком, расположенным между двумя наклонными, вскрывающими рудное тело, стволами, шириной 140 м. Указанный целик, вытянутый длинной осью по падению
рудной залежи на 400 м (при высоте 2.5 м), разделяет шахтное поле на две отдельные зоны отработки, - северную и южную. Зона совместной опытно-промышленной отработки верхней залежи рас-
Рис. 1. План совместной отработки двух рудных залежей на руднике «Умбозе-ро»: 1 - нижняя залежь ІІІ-14 (очистные выработки не показаны); 2 - верхняя залежь Ш-10; 3 - след плоскости сдвига в выработках залежи Ш-10; 4 - местоположение водопритока с поверхности
полагалась также на северном фланге над двумя отработанными блоками нижней залежи (каждый из блоков имеет ширину по простиранию 500 м).
Горно-тектонический удар 17.08.1999 г. разрушил большую часть зоны очистных работ нижней залежи III-14 на северном фланге, но практически совершенно не затронул очистные и подготовительные выработки вышележащей залежи III-10. Поэтому при объяснении причин события, в частности в работах [4, 7], сделан акцент на естественные горно-геологические факторы: тектоническую напряженность массива и его структурно-блоковое строение. Эти факторы, безусловно, являются главнейшими его причинами. Однако при более детальном анализе в работах [8, 9], выделено влияние одного из техногенных факторов, - одновременной отработки сближенных залежей. Рассмотрим этот фактор более подробно.
На рис. 1 приведен совмещенный план горных работ по залежам Ш-14 и Ш-10 в зоне их совместной отработки. Здесь же показана годовая последовательность отработки верхней залежи Ш-10 над отработанной частью нижней залежи Ш-14, выемка которой на
рассматриваемом участке была завершена в 1984-86 гг., то есть за 6-8 лет до начала отработки верхней залежи. Действующие очистные забои нижней залежи в период совместной отработки находились на удалении 300-600 м от зоны отработки верхней залежи и потому на рис. 1 не показаны. Как видно из рис. 1, отработка верхней залежи велась весьма неравномерно с остановками и перерывами в ведении очистных работ от одного года до трех лет. Площадь отработки верхней залежи составляет менее 30 % смежной площади отработки нижней залежи и, казалось бы, не должна значительно изменять напряженное состояние массива. Однако, учитывая, что высота камер на верхней залежи (5.0-5.5 м) в два раза больше, чем на нижней, их влияние на напряженное состояние массива не стоит приуменьшать.
На рис. 2, а приведен график объемов выемки руды на верхней залежи по годам в период 1990-2000 гг., а на рис. 2, б - гистограмма распределения сильных сейсмических событий (магнитуда событий М>1) за этот же период (по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН). По нашему мнению, между этими показателями наблюдается четкая взаимосвязь. До 1991 года сильные сейсмические события в массиве рудника (М>1) вообще не происходили, а стали происходить только после того, когда начались очистные работы на верхней рудной залежи Ш-10. Первые такие события (горно-тектонические удары в блоке 1ю, табл. 1) произошли в 1991 году, после того, как выемка руд и пород на верхней залежи достигла достаточного объема (—150 тыс. м3). В последующем, при нарастании объемов выемки по верхней залежи до 60-70 тыс. м3 в год, количество событий резко возросло (рис. 2, а); в частности, был зарегистрирован второй горно-тектонический удар (табл. 1) в блоке 3с рудника. В период 1994-1996 гг. после резкого спада и остановки выемки руд на верхней залежи, количество событий в массиве резко упало (рис. 2, б). После возобновления очистных работ на верхней залежи, когда общий объем выемки достиг —300 тыс. м3, произошло резкое увеличение числа сейсмических событий в массиве рудника до наиболее высокого уровня за весь предыдущий период - 25 событий в год. Столь высокий уровень сейсмичности свидетельствовал о состоянии массива, близком к предельному. Даже остановка горных работ в 1998 году только снизила уровень сейсмичности массива, но не привела к полному ее спаду (рис. 2, б). Возобновление очистных работ в 1999 году,
увеличение общих объемов выемки на верхней залежи на величину лишь порядка 5 % привело к резкому возрастанию сейсмичности массива и горно-тектоническому удару 17.08.1999 г. Как видно из приведенного, наблюдается четкая взаимосвязь между темпами очистной выемки руд на верхней залежи Ш-10 и сейсмичностью вмещающего массива.
Вероятной причиной сильных сейсмических событий в руднике могли бы быть недостаточная прочность целиков, либо недостаточная устойчивость кровли камер. Однако обрушений кровли камер и разрушений целиков в процессе очистных работ не наблюдалось, поэтому фактор их прочности, очевидно, не является причиной сейсмических событий. Для проверки этого утверждения были рассчитаны нагрузки на целики на отработанных участках обеих залежей. Расчет велся на вес толщи поддерживаемых целиками пород по формуле:
с
Р = -£- уН
' п I' 'ср>
сц
где Р - нагрузка на целик, т/м ; Sв - площадь выработанного пространства с целиками, м ; Sц - площадь целиков, м ; у - плотность покрывающих пород, т/м3; Нср - мощность толщи покрывающих пород, м.
Расчет показал, что нагрузки на целики по нижней залежи составляют от 20 МПа до 40 МПа, и от 10 МПа до 20 МПа на верхней. При средней прочности пород в целиках стс=240 МПа, нагрузки составляют (10^20) % от прочности пород. Таким образом, величина гравитационных нагрузок на целики невелика и не могла быть причиной сейсмических событий. При высокой прочности пород и большой площади, оставленных целиков прочность конструктивных элементов системы отработки не могла быть причиной горно-тектонического удара. Это обстоятельство подтверждается результатами обследования выработок рудника после горнотектонического удара 17.08.1999 г. [3, 4], которое показало, что целики сохранили
Рис. 2. График объемов выемки руды по залежи Ш-10 в период 1990-2000 гг. (а и гистограмма сейсмических событий в массиве в этот же период (б)
свою несущую способность и лишь подверглись заколообразова-нию в их краевых частях.
Однако наиболее важным аргументом, свидетельствующим о решающей роли сближенной отработки рудных залежей в происхождении горно-тектонического удара 17.08.1999 года, является характер и механизм разрушения пород в процессе события. По ре-
зультатам обследования выработок рудника после этого события установлено, что в породах междупластья и покрывающей толщи проросла серия трещин (плоскость сдвига), толщиной до 0.1-0.2 м, по которой одна часть массива сдвинулась относительно другой по направлению действия максимальных напряжений (рис. 3). Величина сдвига по трещинам, измеренная в выработках, составила 16 см. Важен не только факт образования плоскости сдвига, а ее местоположение и характер деформаций. Как видно из рис. 3, а и 3, б, трещины сдвига проросли в зоне совместной отработки на участке максимальных растягивающих напряжений, соединяющих краевые зоны отработки по нижней и верхней залежам, то есть в том месте, где теоретически это и должно было произойти. Плоскость сдвига, зародившаяся в междупластьи, во время сейсмического события 17.08.1999 года, проросла далее до поверхности (рис. 3, б). Этому факту нашло подтверждение физическое доказательство: трещины сдвига пересекли в поперечном направлении ручей «Аллуайв», протекавший по поверхности горного склона, который по ним ушел в горные выработки, на глубину 150 м. В результате ручей на поверхности исчез, а в руднике вдвое возрос водоприток после события 17.08.1999 г. Плоскость сдвига зафиксирована в двух квершлагах, соединяющих рудные залежи Ш-14 и Ш-10, расположенных на расстоянии 140 м друг от друга. Местоположение плоскости сдвига в выработках верхней залежи, прослеженное визуально, показано на рис. 1, схема ее расположения и вид ее в контрольнонаблюдательном квершлаге показаны на рис. 3, в.
Более подробно о распределении напряжений в междупластьи при развитии очистных работ на верхней залежи сказано в работе [9], в которой решена плоская задача о распределении напряжений вокруг выработок обеих залежей в зоне сближенной отработки, имитирующая вертикальный поперечный разрез месторождения. Принципиально важным результатом этой задачи является выявление наложения зон концентрации напряжений у верхнего конца нижней залежи и нижнего конца верхней (рис. 3), вследствие которого напряжения в междупластьи достигают предельных значений и создаются условия для образования трещин разрушения пород. Таким образом, слабым звеном в зоне отработки сближенных залежей в рассматриваемом случае оказались породы междупластья, а не
а)
в)
Рис. 3. Распределение минимальных напряжений в междупластьи (а) и схема расположения плоскости сдвига во время горно-тектонического удара 17.08.1999 г.; вид плоскости сдвига в контрольно-наблюдательном квершлаге (в).
сами горные выработки. Последствием развития разрушения меж-дупластья на руднике «Умбозеро» явилось разрушение практически всех выработок нижней залежи в зоне сближенной отработки. В то же время выработки верхней залежи практически не пострадали, так как плоскость сдвига явилась для них защитным экраном от действия динамических нагрузок в момент события.
Важно подчеркнуть, что при проектировании совместной сближенной отработки залежей на руднике «Умбозеро» максимальное внимание уделялось условию, чтобы не подработать (не усложнить условия выемки) верхней залежи при ведении горных работ на нижней. То есть, по традиционным взглядам, в качестве главной опасности рассматривалась подработка вышележащей рудной залежи. На самом деле надработка нижней залежи, вызвавшая мощный горно-тектонический удар 17.08.1999 года, оказалась не менее, а даже более неблагоприятным фактором, чем подработка, при совместной отработке сближенных залежей. Причиной тому послужили высокие тектонические естественные напряжения в массиве. Следует отметить, что в период, предшествовавший горно-тектоническому удару 17.08.1999 г., на руднике «Умбозеро» практически не велись наблюдения за изменениями напряженно-деформированного состояния массива ввиду финансовых трудностей предприятия. Можно обоснованно предполагать, что, если бы проводился мониторинг состояния массива, горно-тектонический
удар возможно было предотвратить, либо уменьшить его вредные последствия за счет изменения порядка развития и конструкции горных работ.
Выводы
1. При отработке сближенных рудных залежей в тектонически высоконапряженных массивах главную опасность, с точки зрения горных и горно-тектонических ударов, представляет тектоническая составляющая естественного напряженного состояния массива, которая обусловливает высокие концентрации сжимающих и растягивающих напряжений вокруг систем очистных выработок на разных залежах, которые накладываются и создают эту опасность.
2. Правильный выбор конструктивных параметров систем разработки на сближенных залежах в зонах совместной отработки не гарантирует отсутствие горно-тектонических ударов в массиве и выработках. Опасны могут быть как подработка, так и надработка одной залежи другой, при условии взаимного влияния горных работ на них. Поэтому при проектировании горных работ на сближенных залежах должны быть рассчитаны все варианты возможного взаимного влияния.
3. При отработке сближенных залежей в зоне совместной отработки должен осуществляться мониторинг состояния массива, который может выявить момент приближения опасных его состояний, что позволяет оперативно изменить процессы проведения горных работ и снизить эту опасность
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-32999). - М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. - 66 с.
2. Ловчиков А.В. Горно-тектонические удары на российских рудниках: статистика и некоторые закономерности // ФТПРПИ, 1997. - № 2. - С. 22-32.
3. Козырев А.А., Ловчиков А.В., Кузьмин И.А. Сильнейшее техногенное землетрясение на российских рудниках, 17 августа 1999г., рудник "Умбозеро" (Кольский полуостров) // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. -№ 6. - С. 169-173.
4. Козырев А.А., Ловчиков А.В., Пернацкий С.И., Шершеневич В.А.. Сильнейшее техногенное землетрясение на руднике "Умбозеро": горно-технические аспекты // Г орный журнал. - 2002. - № 1. - С. 43-49.
5. Совершенствование технологии подземной разработки маломощных рудных месторождений Кольского полуострова /Бессонов И.И. и др. - Апатиты: Изд.-во КНЦ АН СССР, 1989. - 156 с.
6. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах /Козырев А.А. и др. - Ч. 2. - Апатиты: Изд.-во КНЦ РАН, 1996. - 162 с.
7. Ловчиков А.В., Пернацкий С.И. Горные удары на Ловозерском редкометальном месторождении. Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003. - С. 113-130.
8. Ловчиков А.В., Гуменников В.П. О роли естественных и техногенных факторов в реализации горно-тектонических ударов на рудниках. Г еодинамика и напряженное состояние недр Земли // Труды международной конференции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли". - Новосибирск: Изд.-во ИГД СО РАН, 2001. - С. 243-250.
9. Савченко С.Н., Ловчиков А.В., Козырев А.А. Ретроспективный анализ очага техногенного землетрясения на руднике «Умбозеро» 17.08.1999 г. Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика. - Ч.1. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2004. - С. 170-179. ЕШ
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Ловчиков А.В. — доктор технических наук, главный научный сотрудник, Г орный институт Кольского научного центра РАН.
