Определение удароопасности горных пород месторождения Кочбулак Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© Ш.Р. Мухитдинов, В.Р. Рахимов,

2006

УДК 622.271

Ш.Р. Мухитдинов, В.Р. Рахимов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРООПА СНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЯ КОЧБУЛАК

Для оценки потенциальной ударо-опасности месторождений необходимо выявить основные факторы, влияющие на проявления горного давления в динамических формах. Этими факторами являются: наличие пород с высокими упругими свойствами, действие в горном массиве значительных гравитационно-тектонических и геодинамических напряжений, достижение критических глубин горных работ и другие техногенные факторы.

Породы и руда Кочбулакского месторождения характеризуются высокими прочностными свойствами, способные накапливать значительную потенциальную энергию и хрупко разрушаться, т.е. склонные к горным ударам. Такими породами на руднике являются андезитовые и дацитовые порфириты.

Месторождение расположено в сейсмически активной зоне горно- складчатой структуры Тянь-Шаня, где по данным многочисленных исследований значение вертикальных напряжений близко к уН, а горизонтальных напряжений превышают вертикальных в 1.2-4 раза. Результаты натурных измерений, проведенные институтом «Иргиредмет» подтвердили наличие в массиве значительные горизонтальные напряжения (0,8уН) тектонического происхождения. Вследствие тектонических особенностей района и совместного действия гравитационных, тектонических и геодинамических сил естественное поле напряжений в массиве пород неоднородно.

Для выявления удароопасности в работе [1] были проведены геодинамическое районирование месторождения и геометризация напряженно- деформированного состояния пород отдельных месторождений Средней Азии и получены положительные данные по прогнозу их потенциальной удароопасности.

Так как породы и руды месторождения склонны к горным ударам и в горном массиве действует гравитационное и тектоническое напряжения, необходимо прогнозировать критические глубины по динамическому проявлению горного давления

Прогноз степени удароопасности горных пород производился на нижнем горизонте п. 880 м в районе пересечения квершлага с обходной выработкой, в процессе бурения трех скважин длиной 7,5 и 2,5 м диаметром 59 мм по дискованию керна и определению интенсивности акустических сигналов, возникающих при бурении. Прогноз удароопаcноcти по дискованию керна при бурении скважин выполнялся по "Инструкции по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях склонных к горным ударам", Л. ВНИМИ, 1989 г. [2].

Толщина выбуриваемых из скважин дисков t при неизменном соотношении между осевыми и радиальными по отношению к скважине напряжениями асж/стр и прочих одинаковых факторах зависит от величины максимальных радиальных напряжений стр1. Чем больше максимальные радиальные напряжения стр1 тем интен-

сивнее процесс дискообразования. Диски имеют выпукло- вогнутую форму с выпуклостью в направлении массива. Толщина дисков не превышает половины их диаметра [3, 4].

Наименьшую среднюю толщину дисков с единицы длины скважины устанавливают при наиболее высоких уровнях напряженности (аР1/(стсж и минимальных соотношениях аос/стр1. Вторая составляющая радиальных напряжений стр2 практически не оказывает влияния на процесс дискообразования.

Количественные зависимости толщины дисков от уровня напряженности и вида напряженного состояния массива являются универсальными для многих разновидностей горных пород.

С увеличением диаметра керна dk толща дисков керна возрастает, а относительная ее величина t/ dk уменьшается. Пересчет параметров дискования керна с одного диаметра на другой производят с помощью поправочного коэффициента если известны толщина дисков или их количество с единицы длины скважины хотя бы одного диаметра:

t1 = t2kt или N2 = N1k1 (1)

где kt = 0,33 + 67dki/dk2 при dki < dk2; ti -толщина дисков диаметром dk2; t2 -толщина дисков диаметром dk1; N2 -количество дисков при диаметре керна dk2.

Дискообразование происходит с наибольшей интенсивностью при расположении скважин перпендикулярно действию максимальных напряжений. При бурении скважин под углом к указанному направлению происходит изменение параметров дискования керна.

Для прогноза удароопасности и оценки напряженности массива использовано буровое оборудование со следующими характеристиками режима бурения: скорость вращения бурового става 350—450 об/мин, усилие подачи 1 МПа, скорость бурения 1-2 см/мин, количество воды, подаваемой на забой скважины - 3-7 л/мин. При буре-

нии использовались керновые полусферические коронки диаметром 59 мм.

Для прогноза степени удароопасности необходимо определить направление действия главных напряжений и уровень напряженности в зоне максимума зоны опорного давления.

Напряженное состояние пород по дискованию керна количественно оценивается только в максимуме зоны опорного давления на основе зависимости Ш = f (стр1/стсж) которая определяется напряжениями стос/стр1 = 0,2. Радиальные напряжения стР1 являются тангенциальными ст0 и стр1 о отношению к выработке.

Для оценки напряженного состояния участков массива бурят скважину по нормали к поверхности обнажения, либо к плоскости, являющейся касательной к ее поверхности, на глубину, равную наибольшему размеру выработки И. При бурении отбирают керновый материал через каждые 0,5 или 1 м.

Результаты измерений толщины дисков представляют в виде гистограмм. Прямолинейные участки гистограммы, соединенные плавной линией, имеют вид параболы, обращенной ветвями вверх.

Расстояние от устья скважины до середины участка с минимальной толщиной дисков является расстоянием до максимума зоны опорного давления.

Положение зоны максимума опорного давления при различных прочностных свойствах горных пород необходимо определять по наибольшей величине ар1/стсж, устанавливаемой с учетом средней толщины дисков и их прочности из зависимости:

= (0,54 + 0, ) + +(0,78 + 0,165^ )(ар1/асж)

Положение зоны максимальных нагрузок при неизменной прочности пород необходимо устанавливать по наиболее удаленному экстремуму [3].

IJ

Прогноз степени удароопасности пород и руд выполнялся исходя из определения величины напряжений в максимуме зоны опорного давления и расстояния до максимальных нагрузок от обнажения в скважинах, ориентированных перпендикулярно действию максимальных напряжений. Для определения направления максимального напряжения в сечении выработки бурили веер скважин в соответствии с принятой методикой. Скважина, из которой керн вышел в виде дисков наименьшей толщины, показывает направление максимальных напряжений, перпендикулярное ее оси.

Удароопасность массива при дискова-

Рис. 1. Схема района проведения экспериментальных работ. I -место проведения экспериментальных работ; 1215 - отметка земной поверхности

нии керна в нескольких скважинах определялась также по скважине с наименьшей толщиной дисков в зоне максимума опорного давления. Прогноз степени удароопасности - при неизменных горнотехнических и горно- геологических условиях - может проводиться только по одной скважине с минимальной толщиной дисков.

Иногда у обнажения образуется зона разрушенных пород х2. Эта зона может возникать и в результате буровзрывных работ. Дискование керна в этой зоне не наблюдается. Начало зоны дискования керна характеризует границу между зонами х2 и хь По параметрам t^/d xi и х2 определяют категорию удароопасности участка горного массива (рис. 2, а).

Необходимо отметить, что метод дискования керна является базовым. Существующие и вновь вводимые методы и критерии определения степени удароопасности в обязательном порядке должны быть сверены на сходимость с результатами базового метода для каждого месторождения [5]. Прогноз удароопасности до 880 м производился по методике дискования керна [2].

Минимальное значение соотношения t^/d, где t = 3,5 мм - толщина дисков, d = 59 мм - диаметр скважины, составляет - 0,6 (рис. 2, б).

Рис. 2, а. Размеры зоны опорного давления: х1

=1,07 м - размер зоны концентрации опорного давления;. х2 = 0,12 м - размер зоны разрушенных пород

Рис. 2, б. Номограмма для определения ударо-опасности участков массива по дискованию керна: ^рМ = 0,6; ар^сж = 0,17; х^ + 2х2) = 0,33

Рис. 2, в. Номограмма для определения уда-роопасности с учетом вертикальной составляющей напряженного состояния горного массива: у = 2,63 т/м- объемный вес вмещающих пород; Н = 335 м - глубина от земной поверхности, асж = 7,1 МПа

По формуле (2), после простых преобразований находим значение «р1 которое равно 21,3 МПа, соответственно и значение соотношения «р1 /«сж будет равно - 0,17, при асж = 120 МПа (рис. 2, в).

Соотношение между расстоянием до зоны концентрации опорного давления (Х1, суммарной величиной высоты выработки (И) и удвоенным расстоянием зоны разрушенных пород (х2), равно 0,33 (рис. 2, в).

Таким образом, получены исходные данные трех показателей входящих в номограмму определения степени ударо-опасности горных пород.

Определение интенсивности акустической эмиссии при бурении скважин. Согласно современным взглядам на природу горных ударов, для развития удара необходимо, во-первых, чтобы нагрузки на разрушающийся элемент массива достигли предельных величин и, во-вторых, чтобы выполнились условия неустойчивости. При определении удароопасности участка массива следует установить, выполняются ли условия горного удара. Однако оперативно определить параметры, входящие в теоретические условия, при текущем прогнозе горных ударов практически невозможно. В связи с этим используются ме-

тоды, позволяющие определять показатели, косвенным образом связанные с комбинациями параметров теоретических условий. Среди них большим преимуществом обладает метод акустической эмиссии (АЭ), как непосредственно отражающий запредельное деформирование горных пород в процессе формирования ударо-опасных условий [3].

Измерение величины интенсивности акустической эмиссии производили прибором АЭР-1 в процессе бурения скважин. Суммарная величина интенсивности АЭ определялась за определенные промежутки времени (1 с.; 2 с.; 5 с.) при усилении сигналов (2,5 мах).

Результаты измерений были использованы для определения расстояния до зоны максимума опорного давления и зоны разгруженности горных пород.

Проведенный комплекс исследований по оценке удароопасности горных пород Кочбулакского месторождения, включивший в себя исследования геодинамических характеристик района расположения месторождения и экспериментальные исследования геомеханическими методами в натурных условиях (дискование керна, акустической эмиссии), позволили сделать следующие выводы:

1. На руднике не выявлены факторы проявления стреляния, микроударов. Горные породы Кочбулакского месторождения до г. 8 80 м от земной поверхности относятся к категории не опасным по горным ударам. (Все три показателя: t^/d = 0,6; ств1/стсж = 0,17; х1/(И + 2х2) = 0.33 свидетельствуют об отсутствии удароопасно-сти).

2. Массив горных пород месторождения вследствие тектонических особенностей района и совместного действия гра-

1. Геометризация напряженно- деформированного состояния массива с целью оценки его удароопасности. Сб. «Геодинамическое районирование недр». Сб.науч.трудов КузПи, Кемерово, 1991.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений) склонных к горным ударам. Л., ВНИМИ, 1989.

витационных, тектонических и геодинамических сил находится в сложном напряженно- деформированном состоянии, происходит сжатие пород юр-ско-неогеновых отложений.

3. В этих условиях, в горных породах, находящихся ниже отметки г. 880 м, возможно появление признаков горно-тектонических ударов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Стороженко А.Г. Основные принципы прогноза удароопасности горных пород методом акустической эмиссии. Фрунзе, "ИПИМ", 1986.

4. Айтматов И.Т. Геомеханика рудных месторождений Средней Азии. Фрунзе, "Илим",

1987.

5. Рахимов В.Р. Давление горных пород в некоторых рудниках Средней Азии. Ташкент, "Фан",

1988.

— Коротко об авторах

Мухитдинов Ш.Р. - аспирант,

Рахимов В.Р. - доктор технических наук, профессор, академик АНРУз, Ташкентский государственный технический университет.

- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР РАН (ИПКОН РАН)

ЖУЛКОВСКИЙ Дмитрий Викторович Обоснование метода экологической оценки научно-технического прогресса горного производства 25.00.36 к.т.н.