CC BY
31
- А.Ю. Звонарь, И.В. Сальников,
А.В. Пантелеев, 2015
УДК 622.831.32
А.Ю. Звонарь, И.В. Сальников, А.В. Пантелеев
ОСОБЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ПРОГНОЗА И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ НА ХИБИНСКИХ АПАТИТО-НЕФЕЛИНОВЫХ РУДНИКАХ
Хибинское апатито-нефелиновое месторождение расположено в центре Кольского полуострова, испытывающего под действием тектонических сил общее поднятие. Наличие весьма крепких, но хрупких пород, дугообразная форма рудного тела при значительном превышении горизонтальной составляющей напряжений над вертикальной определяют порядок ведения очистных работ, методов прогноза и профилактики горных ударов.
Ключевые слова: горные удары, апатито-нефелиновые рудники, горное давление, прогноз, геодинамическое районирование.
Геодинамическая характеристика месторождения
Дпатито-нефелиновые месторождения представляют собой непрерывную пластообразную залежь, осложненную раздувами и пережимами. Одна из них объединяет Кировское и Юкспорское месторождения, другая Апатитовый Цирк и плато Расвумчорр. Оба линзообразных тела
сходны по своим морфоструктурным особенностям. В плане рудное тело имеет дугообразно-вытянутую форму. Его протяженность составляет около 11 км (рис. 1). Общие балансовые запасы месторождений, находящихся в разработке, 2303 млн т со средним содержанием Р2О5 - 15,03%.
Одними из основных геодинамических факторов, определяющих устой-
w
Рис. 1.
ут
Горизонт, м Максимальные напряжения о3 (руда/порода), МПа Азимут вектора о3, градусы Наклон вектора о3 к горизонту, градусы
Кукисвумчоррское месторождение
+172 30-40 / 40-60 90±30 0±20
Юкспорское месторождение
+250 25-35 / 35-55 90±30 0±20
Расвумчоррское месторождение
+450 25-40 / 40-60 110±30 0±25
чивость конструктивных элементов систем разработки и разнонаправленных выработок на апатитовых рудниках, являются глубина отработки и высокая тектоническая напряженность массива. При этом отмечается существенное превышение горизонтальной составляющей над вертикальной. Превышение может весьма существенным (до 10 раз), особенно во вмещающих породах. Параметры регионального поля напряжений нетронутого массива на разрабатываемых Хибинских месторождениях по данным инструментальных измерений представлены в табл. 1.
Решение проблем, связанных с негативным проявлением горного давления, включает в себя комплекс действий, включающих в себя региональный и локальный прогноз, порядок проведения горных работ, профилактические мероприятия.
Региональный прогноз ударо-опасности
Выполняется с помощью следующих методов:
• визуальное обследование горных выработок; прогноз региональной удароопасности по результатам непрерывного контроля сейсмичности массива горных пород (АСКСМ);
• аналитическое (численное) моделирование напряженного состояния (экспертная система);
• экспертная оценка состояния массива и отдельных участков выработки.
• геодинамическое районирование.
Метод визуального обследования
основан на том, что породы и руды, слагающие месторождение, имеют высокие показатели прочности, упругости и хрупкости. Предел прочности при сжатии руд составляет 70-170 МПа, пород - 120-250 МПа; при растяжении, соответственно: 3-10 МПа и 5-20 МПа. Модуль упругости руд равен 30-60 ГПа, пород - 50-60 ГПа. Коэффициент хрупкости 10-25. Породы с такими свойствами подвержены хрупкому разрушению при напряжениях незначительно превышающих 0,3стсж. В результате, при наличии повышенного горного давления, на контуре выработки отчетливо проявляются внешние признаки удароопасности в виде шелушения или динамического заколообразования, что позволяет достаточно объективно и точно определить не только направление результирующей напряжений, действующих в приконтурном пространстве, но и, в некотором приближении, их абсолютные значения. По интенсивности проявления внешних признаков уда-роопасности, продолжительности наблюдения данного явления, с учетом геологического строения и технологических особенностей исследуемого участка можно с достаточной уверен-
Рис. 2. Категория «Б»
Рис. 3. Категория «Г» Рис. 4. Категория «Д»
ностью определить степень опасности для эксплуатации выработок или отдельных целиков (рис. 3, 4). Анализ результатов многолетних наблюдений позволил по данному признаку подразделить выработки на пять групп по категории состояния (табл. 2):
• «А», «Б» (рис. 2) и «В» соответствуют категории удароопасности «Неопасно», и не требуют проведения специальных мероприятий;
• выработки категории «Г» (рис. 3) соответствуют категории удароопас-ности «Неопасно», однако при веде-
Таблица 2
Классификация категорий состояния горных выработок
Категории состояния выработок Категория по устойчивости Формы проявления горного давления
в устойчивых породах (I к) в средне-устойчивых породах (II к) в слабоустойчивых породах (III к)
А ст < 0,3а д ' с - - Выработка сохраняет устойчивость (разрушения и отслоения не наблюдаются).
Б - ст < 0,3ст д с в породах IV, V категорий по трещиноватости Вывалы по трещинам.
В 0,3ст <ст< 0,5ст с д с в породах 1-111 категорий по трещиноватости Постепенное хрупкое разрушение пород на контуре в виде шелушения, незначительного динамического зако-лообразования и плитчатого расслоения пород, отслоения по трещинам.
Г 0,5ст <ст< 0,7ст с д с в породах 1-111 категорий трещиноватости - Интенсивное шелушение, динамическое заколообразование.
Д или «опасно» ст >0,7ст дс в породах 1-111 категорий трещиноватости - Стреляние и интенсивное динамическое заколообразование, возможны микроудары и горные удары.
Примечание: Категория состояния - определяется по результатам визуального обследования, категория удароопасности «Неопасно» или «Опасно» - по результатам локального прогноза инструментальными методами.
нии работ в таких выработках требуется проведение дополнительных мероприятий по созданию безопасных условий их эксплуатации (бурение разгрузочных строчек, крепление торкретбетоном);
• выработки категории «Д» (рис. 4) соответствуют категории удароопас-ности «Опасно», и должны быть приведены в неудароопасное состояние.
Данная классификация принята за основу при выборе вида крепления для поддержания выработок в безопасном состоянии.
Метод АСКСМ позволяет объективно, оперативно и круглосуточно оценивать сейсмическую активность массива. Он уверенно регистрирует прорастание трещин отрыва в консоли покрывающих пород, подвижки по активным тектоническим зонам, реакцию массива после проведения взрывных работ и т.п. Очень важным представляется выявление активных разломов, знание которых позволит исключить строительство капитальных сооружений в опасной близости от них. Но, к сожалению, сами землетрясения или горно-тектонические удары спрогнозировать весьма проблематично, а последствия их воздействия весьма ощутимы (рис. 5 и рис. 6).
Между результатами прогноза региональной удароопасности по данным АСКСМ и оценкой категории состояния выработок по внешним признакам, в условиях Хибинского месторождения, пока не установлено какой-либо уверенной корреляции. Отчасти это связано с необходимостью локализации эпицентра события по 3-4 датчикам, расположенным на значительном расстоянии друг от друга. Энергии же, выделяемой даже при интенсивных формах проявления горного давления (шелушения или динамического заколообразования), явно недостаточно.
Применение экспертной системы на базе математической модели с применением программного продукта «SIGMA-3D» представляется перспективным, он позволяет проиграть различные варианты отбойки на стадии проектирования, исключить субъективный фактор и пропуск отдельных элементов анализа, выбрать оптимальный вариант. Но с этим методом надо еще поработать в плане учета геодинамических особенностей исследуемого района.
Экспертная оценка состояния массива и отдельных участков выработки включает в себя сопоставление результатов комплекса методов, как ре-
Рис. 5. Горный удар
Рис. 6. Горный удар
Рис. 7. Обгонная
гиональных, так и локальных, анализ геологических данных, зон влияния опорного давления отбойки и бровки обрушения, взаимного влияние близ расположенных выработок, их направление и т.п. Она позволяет достаточно объективно оценить причины негативного проявления горного давления в уже пройденных выработках, а, при определенных навыках, дать прогнозную оценку состояния массива или отдельных выработок при изменении горнотехнической ситуации или в процессе проектирования отдельных блоков. Недостатком данного метода является опора на опыт и добросовестность исполнителя.
Изучение геодинамического районирования месторождения в настоящее время уделено особое внимание. Заключены договора с ГоИ КНЦ РАН, службы усилены специалистами, наметилось более тесное сотрудничество служб ИНГУ и ЦГМ (центр геофизического мониторинга). Появилось понимание важности данной задачи. Практика показала, что тектонические нарушения оказывают значительное влияние на перераспределение горного давления в массиве. При этом значимость тектонических разломов не всегда равнозначна их мощности и протяженности. Так, на гор.+310 м Расвумчоррского рудника мощная
Рис. 8. Порожняковая КО
зона шпреуштейнизации практически не оказывает влияния на перераспределение напряжений (рис. 7), а в лежачем боку зоны мощностью не более 0,15 м во всех выработкам отмечается интенсивное динамическое заколо-образование, проходка выполнялась с применением профилактических мероприятий (рис. 8).
Локальные методы оценки категории удароопасности
Для условий Хибинских апатитовых рудников обоснованы, и рекомендованы к применению следующие методы:
• дискования керна (МДК);
• контроля разрушения стенок скважин замерных станций (КРС);
• ультразвукового метода (УЗМ);
• прогноз по опережающей скважине (ПОС).
Применение локальных методов было эффективно и относительно безопасно при ручном способе проходки, когда темпы, как, впрочем, и кровля, были довольно низкими. Сейчас, в выработках сечением до 20 м и более, применение контактных методов с подошвы при наличии интенсивных форм проявления горного давления становится небезопасным, а бесконтактных, обеспечивающих оперативный и достоверный контроль состоя-
ния приконтурной части выработки пока не найдено. Методы ЕЭМИ, АЭ неприменимы из-за значительных технологических помех, а электрометрические методы неприменимы из-за низкой электропроводности слагающих месторождения пород.
Поэтому, в настоящее время, основным методом оценки состояния выработок и прогноза потенциальной удароопасности (насколько интенсивны внешние признаки, возможен горный удар локального типа или нет; надо применять профилактические мероприятия или ограничиться отстоем) остается визуальный метод, опирающейся на опыт и интуицию работника службы ППГУ.
Характеристика горных ударов
За годы отработки Хибинских месторождений (по состоянию на декабрь 2012 г.) зафиксировано 15 техногенных землетрясений, 14 горнотектонических ударов и 38 горных ударов и микроударов. Т.е. 29 горных ударов можно отнести к региональному типу, 38 к локальному.
Горные удары регионального типа (приуроченные преимущественно к тектоническим разломам с глубиной эпицентра в несколько километров), на данном этапе развития науки и техники, ни предсказать, ни, тем более, предупредить, не представляется возможным. Механизм их формирования обусловлен глубинными процессами, вызывающими, в частности, подъем в целом Хибинского массива. Можно лишь минимизировать вред, приносимый ими, выявляя активные разломы и проходя в зоне их влияния лишь проходные и буродоставочные выработки. Это серьезная и долговременная задача, которую предстоит решить нам в тесном содружестве с научными организациями.
Горные удары локального типа, приводящие к временному выводу
из эксплуатации 1-2 выработки на незначительных по протяженности участках, как правило, результат нашего рукотворного воздействия на массив, который, находясь в исходно напряженном состоянии, был при-гружен проходкой одиночных выработок, серией параллельных, находящихся в зоне взаимного влияния, приближением фронта очистных работ и т.п. Т.е. мы сами создаем условия реализации горного удара. Предвестниками изменения состояния массива в условиях Хибинского месторождения служит усиление внешних признаков опасности, переход выработки их одной категории состояния в более опасную. Это позволяет своевременно выполнить профилактические мероприятия.
Профилактические мероприятия
К основным профилактическим мероприятием можно отнести минимизацию негативного проявления горного давления, определяемую порядком ведения горных работ, включающую в себя:
• выбор правильного направления очистных работ;
• максимально допустимое расстояние между буродоставочными выработками;
• рациональное соотношение количества и значимости выработок по отношению к направлению максимально сжимающих напряжений;
• минимизация формирования целиков малого размера в зоне влияния очистных работ;
• опережение фронта очистных работ по выше лежащему горизонту к ниже лежащему на величину 1,52,0 Н.
Отчасти, благодаря дугообразной форме рудного тела, направление тектонической составляющей по разному ориентирована по отношению к рудному телу. Так на Кукисвумчорр-
Рис. 9. Малые целики
ском крыле Кировского рудника она направлена в крест простирания или с небольшим отклонением до 20° к северу. На Юкспорском крыле Кировского рудника параметры поля нап-ряжений наиболее изменчивы. Отрабатываемые гор.+460 м, +410 м и гор.+320 м являются переходными от нагорных к глубинным, поэтому распределение напряжений здесь весьма неравномерно как по глубине, так и по площади, и в значительной мере зависит от положения участка относительно элементов рельефа. На Расвумчоррском месторождении они направлены субпараллельно простиранию (с небольшим отклонением до 20° к северу).
Обстоятельства перечисленные выше являются определяющими при выборе порядка отработки, обеспечивающего максимально возможное сохранение действующих выработок и охранных целиков. Так, для Кировского рудника предпочтительнее опережающее развитие фронта очистных работ по висячему боку с ортовой отбойкой, создавая тем самым защищенную зону для основного поля. Для Расвумчоррского наименее затратным является равномерная отработка от висячего бока к лежачему линейным фронтом, ориентированным в
Рис. 10. Строчка шпуров
крест простирания рудного тела без создания значительного опережения со штрековой отбойкой. Проблема, связанная с увеличением шага обрушения покрывающих пород, для Рас-вумчоррского рудника менее болезненна. По мере сближения очистного пространства Расвумчоррского рудника с карьером Центрального рудника необходимо выполнение опережения отбойкой по висячему боку. Параметры зоны стыковки определяются Регламентом, разработанным Гои КНЦ РАН и согласованным в установленном порядке.
Разумеется, исключить полностью влияние горного давления невозможно. В качестве профилактического мероприятия в условиях Хибинского месторождения приняты:
• бурение разгрузочных строчек;
• отстой выработок;
• крепление.
Бурение разгрузочных скважин (строчка) служит для снятия напряжений с приконтурной части выработки и переноса их внутрь массива. В отдельной выработке строчка разбуривается на глубину 2,0-2,5 м в зоне максимальных разрушений, малые целики, которые не способны поддерживать устойчивое состояние разбуриваются на всю их ширину
горизонтальными скважинами, формируя в их основании своеобразную буферную зону (рис. 7, 8). Строчка -это хирургическое вмешательство в целостность массива, но это, пока, основной способ поддержания контура выработки от разрушения в условиях высокого горного давления. Если строчка бурилась в выработках категории «Г» или «Д», то на участке, примыкающим к ней формируется зона отжима, для поддержания которой требуется крепление торкретбетоном.
Отстой применяется тогда, когда нет возможности бурения строчки, например, при разделке воронок.
Крепление хороший способ поддержания контура выработки, но ж/б штанги обыгрываются, торкретбетон гораздо слабее породы, укладка монолитного бетона в удароопасных условиях связана с длительным нахождением людей в опасных условиях.
В заключении хотелось бы отметить, что, как бы нам не хотелось, но добыча полезных ископаемых связана с дальнейшим углубление горных работ, а значит, необходимостью преодоления все более и более сложных проблем. Решение их лежит на пересечении опыта горняков, знаний науки и трепетного отношения к реакции Природы на наше к ней отношение.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Звонарь Андрей Юрьевич - технический директор, главный инженер, Сальников Игорь Владимирович - главный инженер Расвумчоррского рудника, Пантелеев Алексей Владимирович - зам. главного инженера по управлению горным давлением Расвумчоррского рудника, e-mail: [email protected], ОАО «Апатит».
UDC 622.831.32
FEATURES OF THE SOLUTIONS OF PROBLEMS
OF THE FORECAST AND THE PREVENTION OF ROCK BURSTS
IN THE KHIBINY APATITE-NEPHELINE ORE MINES
Zvonar A.Yu., Technical Director, Chief Engineer, Salnikov I.V., Chief Engineer, Rasvumchorr Mine,
Panteleev A.V., Deputy Chief Engineer of Ground Control, Rasvumchorr Mine, e-mail: [email protected], OJSC Apatit.
The Khibiny apatite-nepheline deposit is situated in the centre of the Kola Peninsula which experiences general raising under the influence of tectonic forces. The availability of rather strong but at the same time fragile rocks, bow-shaped form of ore body at the excess of horizontal component of strain over vertical one determine the order of cleaning works conduct, prediction methods and mining strokes preventive measures.
Key words: rock bursts, Apatite-nepheline ore mines, rock pressure, forecast, geodynamic zoning.
