CC BY
121
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Н.И. Ермаков, 2001
УДК 622.831.32
Н.И. Ермаков
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ НА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ (НА ПРИМЕРЕ СУБРА)
Целью данной публикации является представление некоторых закономерностей в поведении массива горных пород, непосредственно предшествующих его динамическому разрушению. Статья базируется на информационных материалах по теме горных ударов, ранее опубликованных автором и другими исследователями. Желание автора - показать накопленный за два десятилетия материал, который в совокупности позволяет получить новые истинные знания о состоянии и последующем деформационном поведении породного массива в естественных условиях шахт при начальных высоких действующих напряжениях.
В целом, выводы статьи являются результатом двадцатилетней работы по изучению напряженно-деформированного состояния массива в натурных условиях многих шахт России и одной глубокой шахты США и анализом материалов натурных наблюдений на пяти удароопасных месторождениях Урала и Дальнего Востока, которые частично ранее высказывались на конференциях и семинарах по этому вопросу, хотя и не получили широкого обсуждения. За этот период времени многие понятия, касающиеся деформационного поведения породного массива, изменились и у самого автора. Для понимания обсуждаемых вопросов по проблеме горных ударов в круг интересов автора постепенно вошли вопросы геологического обустройства массива рудных месторождений, вопросы их па-лео и современного тектонического развития, вопросы технологического создания очистных пространств, а также вопросы поддержания и укрепления породных и рудных выработок.
До настоящего времени в отечественной литературе, касающейся горных ударов, нет содержательного определения этого физического явления, которое бы включало последовательность изменений физических параметров и их относительный уровень. Описательный характер процесса внезапного разрушения горных пород в массиве не позволяет более глубоко проник-
нуть в суть физического явления и формализовать математически состояние перед динамическим разрушением. Без соответствующей формализации надежный прогноз столь опасного для горняков природного явления невозможен. Принятый для прогноза
горных ударов в нашей стране
фактор «категория удароопасно-сти» не является физическим понятием, так как включает только один из многих показателей состояния конкретного локального участка массива в конкретное время и базируется на гипотезе, что массив ведет себя как большой образец под осевой нагрузкой. По сути, это модель «черного ящика» с выходом на один из показателей состояния массива в точке наблюдения.
Личные наблюдения автора работы, а также многочисленные материалы других исследователей свидетельствуют, что любое разрушение в массиве - это
сложный процесс, причиной которого является пара
взаимодействующих сил и наличие ослаблений в массиве. Поэтому в процессе наблюдения за деформированием горного массива на месторождениях приходится принимать во внимание несколько одновременно действующих факторов или переменных физических величин. Все же главным звеном исследовательских интересов автора оставалось изучение деформационного поведения породного и рудного массива не только в период ведения очистных работ, но и период его формирования и развития. Структура массива пород каждого из месторождений и его деформационное поведение изучалась как в натуре, так и по публикациям. Научные результаты принимались во внимание независимо от времени их получения, а также независимо от заслуг автора в научной сфере деятельности. Однако при выводах о закономерностях деформирования массива предпочтение было отдано личным наблюдениям автора на ряде уральских шахт с помощью деформационных методов, которые выполнялись на малой и большой базах наблюдения. Также ценными являются результаты наблюдений лаборатории сдвижения горных пород Института горного дела УрО РАН, выполненные под руководством А.Д. Сашурина. Основной же задачей автора на всех опытных площадках оставалась оценка напряженного состояния горного массива того или иного участка к началу эксплуатационных работ на месторождении, а также изменения компонент поля напряжений за счет создания очистных пространств в рудном масСсиавмеы. ми трудными вопросами, затрагивающими исследовательский интерес, оказался вопрос о непосредст-
венных причинах горных ударов в массиве или в краевой его части (камерах и выработках) Североуральского бокситового рудника (СУБРа), а также вопрос о способах их предотвращения без значительных для предприятия затрат. Выводы Комиссии по горным ударам предприятия рудника о причинах внезапных разрушений, сделанные после обследования очередного динамического явления, очень часто не устраивали автора из-за отсутствия учета ряда действующих факторов. По мере накопления исходных данных по горным ударам на шахтах СУБРа обозначился дефицит информации о горном массиве в целом, т.е. информации геологического или точнее тектонического плана. Поэтому постепенно в круг научных интересов для решения поставленной цели вошли вопросы тек-тонофизики, вопросы сдвижений массива отрабатываемых месторождений, а затем и вопросы металлогении и геохимии месторождения, а также вопросы физики образования и развития сдвиговых и раздвиговых зон в массивах пород и гидрогеологические вопросы. Совокупность всех информационных данных о месторождении помогла найти ответ на поставленный вопрос об изменении напряженного состоянии массива перед возникновением горных ударов и других причинах горных ударов, который предлагается вниманию читателей.
Следует подчеркнуть, что в научной литературе весь перечень информационных материалов по отдельным месторождениям проработан довольно глубоко. Причем, в литературе мы всегда можем найти объяснения физических явлений в породном массиве, высказанные с различных, а иногда и с противоположных точек зрения. Полнота информации при выборе такого подхода к оценке состояния массива позволяет прочувствовать глубину и сложность происходивших наследственных процессов в массиве началу очистных работ на любом месторождении независимо от его генезиса. С началом эксплуатации месторождения возникает дополнительное наложение различных по характеру деформаций массива, в которых по прежнему важную роль играет тектоническая «наследственность». Однако, в столь сложной картине деформирования массива при наличии детальных натурных наблюдений и опыта интерполяции их всегда можно выделить истинные данные о природе произошедших физических явлений, а также из всего многообразия информации других исследователей по искомой теме выбрать объективные данные и не оказаться заложником чьего-то субъективного подхода к физическому конкретному процессу или явлению.
За фундаментальные основы деформационного поведения массива можно, например, признать выводы из публикаций Ж. Талобра [1], который поведение массива горных пород описывает следующим образом: «Земная кора далеко не находится в состоянии полного покоя. И ее движения, хотя они очень малы, ясно показывают нерегулярность давлений, которые она испытывает на глубине. В земной коре не может быть идеального равнове-
сия, при котором все усилия сдвига были бы равны нулю.» Или в другом месте он также высказывается насчет деформационного поведения массива пород: «При движениях горных пород упругость имеет второстепенную роль. Обычные виды деформаций горных пород - деформация разрушения. Для того, чтобы в горной породе произошло разрушение от сдвига, необходимо, чтобы нашлась плоскость слабого сцепления, на которой нарушается равновесие».
Принимая во внимание высказывания Ж. Талобра и его последователей, можно сформулировать определение и для «горного удара», как физического явления, возникающего при специфических условиях деформирования массива. Это физическое явление является не-отъемлимой частью физического процесса перераспределения горного давления, или другими словами результатом трансформации напряженного состояния породного массива в период создания свободного пространства с площадью обнажения большей некоторой критической величины. Без создания свободных пространств мы имеем дело с физическим явлением другого масштаба, носящим название «землетрясение».
Сам процесс перераспределения горного давления обычно протекает в несколько стадий:
• упругое деформирование массива,
• неупругое плавное деформирование массива без разрушения,
• неупругое динамичное деформирование массива с его разрушением.
Две последние стадии деформирования породного массива чаще всего проходят в альтернативном виде, но иногда могут дополнять друг друга. Обычно в одних природных (тектонических) условиях происходит плавное деформирование массива по ряду разноориентированных плоскостей ослаблений (трещин, тектонических нарушений. В других природных условиях происходит разрушение небольшого объема пород, примыкающего к плоскости сдвиговых деформаций (или шву нарушения). Разделительным барьером между двумя типами неупругого деформирования массива является сила сцепления и сила трения по контакту берегов тектонического шва, зависящие от шероховатости плоскостей шва и их прямолинейности, т.е. от морфологии тектонического шва и его мощности. Характеристикой условий сцепления и трения по контактирующим крыльям нарушения является угол сцепления и начальный уровень сцепления.
Многочисленными наблюдениями автора работы установлено, что при угле трения по контакту согласно методического подхода Г.Л. Фисенко [2], Кука и Брея [3] до 10о происходит плавное перемещение по контактирующим берегам нарушений горного массива. При углах трения от 15° до 25° происходит дискретное динамичное перемещение берегов нарушения. При этом оказывается, что с увеличением угла трения растет и амплитуда взаимного перемещения одного крыла нарушения относи-
тельно смежного в центральной подвижной части шва нарушения. В интервале углов трения по контакту от 10о до 15о деформирование имеет промежуточный характер или происходит небольшими порциями без значительных разрушений пород, прилегающих к плоскости шва нарушения и создает дополнительную систему трещин, секущую контактную область шва.
Подвижность берегов одного из нарушений обязательно приводит к подвижности, приуроченной к нему системы плоскостей нарушений более мелкого ранга, т.е. к междублочной подвижности массива в ограниченном объеме пород. Кроме того, в процессе подвижки крыльев нарушения могут появиться и новые оперяющие разрывы или трещины. Последний случай разрушения массива есть не что иное, как проявление динамического разрушения горного массива. Поэтому часто употребляемый термин «горный удар» может быть расшифрован так -это быстро протекающее физическое явление, при котором происходит разрушение массива в результате взаимного перемещения соседних областей. Для дальнейших рассуждений вполне подходит следующее определение: «горный удар - это динамическое взаимное перемещение блочного массива по одной из границ блоков с разрушением контактной области движущихся крыльев нарушения, сопровождающееся выделением сейсмической энергии».
Теперь для последующего обсуждения вопроса о динамическом характере перемещении одной части породного массива относительно смежной коснемся имеющихся в литературе представлений об условиях взаимного перемещения смежных участков массива вдоль плоскости тектонического нарушения, которые базируются на следующих факторах:
• ориентировка главных напряжений в конкретной области массива по отношению к плоскости ослабления (нарушения) массива,
• уровень главных компонент напряжений и неоднородность поля напряжений,
• сила сдвига и сила сцепления по ослабленной плоскости междублочного контакта,
• угол сцепления по контакту и начальный уровень сцепления,
• протяженность плоскости нарушения с установленными параметрами распределения напряжений и условий контакта крыльев дизъюнктива (сместителя),
• трансформация (перераспределение) поля напряжений в связи с созданием очистных пространств или подвижностью массива в плоскости тектонического шва.
Для большей части уральских рудных и угольных месторождений различными исследователями и лично автором данной работы было определено:
- Начальная ориентация максимального главного напряжения редко совпадает с плоскостями многочисленных ослаблений породного и рудного массива, т. е. с
плоскостями нарушений, с плоскостями рассланцевания или с плоскостями кливажа.
• До начала горных работ на всех уральских рудных и большинстве угольных месторождений существует неоднородное поле напряжений с преобладанием горизонтальной компоненты напряжений начиная с глубины выветренной зоны пород.
• Добычные работы на рудных и угольных месторождениях обычно приводят к еще большей неоднородности поля напряжений и переориентировке векторов главных компонент напряжений относительно их начального положения.
• В зависимости от тектонических и физикохимических процессов в породном массиве с момента, предшествующего образованию залежи до настоящего времени, в массиве существует множество плоскостей ослаблений различной ориентации. Наиболее слабые из них выполнены глинкой трения, милонитом, гематитом, серицитом, тальком, хлоритом и т.д. Менее ослабленные плоскости выполнены кальцитом и аргиллитом. Самые прочные плоскости шва заполнены кварцем, сульфидами.
• Влага в плоскостях ослаблений или проникающая сверху в шов вода значительно изменяют углы сцепления по контакту нарушений в сторону их уменьшения.
Все перечисленные моменты имеют место на шахтах СУБРа и на других рудных месторождениях с развитой тектоникой и ослабленными заполнителями швов, представленных такими материалами как: глинка трения, ми-лонит, серицит, кальцит, гематит и даже аргиллит. Такие выводы были сделаны после посещения титанового рудника в Предуралье, трех полиметаллических рудников в Приморье, медного рудника в Казахстане и полиметаллического рудника в США. К сказанному выше о влиянии влаги следует добавить, что при кварцевом заполнителе шва вода для снижения угла трения по контакту и уровня начального сцепления играет незначительную роль. Для многих же заполнителей шва нарушения наличие влаги уменьшает угол сцепления по контакту. Например, у глинистых аргиллитовых заполнителей угол
__ *1^0 ґ О
сцепления уменьшается с 12 до 5 .
Итак, все перечисленные пять факторов в различном сочетании встречаются на всех рудных и угольных месторождениях. И там, где спектр сочетаний довольно широкий, первоначально происходит упругое деформирование породного массива, а затем протекают обе стадии неупругого деформирования с возникновением горных ударов, толчков и мощных горнотектонических ударов. Два последних физических процесса деформирования породного массива происходят на удалении от очистного пространства, и чаще всего они недоступны для визуального изучения. Однако, при последующем вскрытии горными работами породного массива с ранее фиксированной динамической подвижкой по нарушению в данной области хорошо прослеживается зональность разрушения масси-
ва. Так например, на золоторудном месторождении Колар в Южной Индии в результате горного удара, случившегося 27 ноября 1962 года были разрушены очистные забои богатой рудной жилы «Глен» и возник пожар. Выработки затопили, а после откачки воды обнаружили, что наиболее сильные разрушения произошли в квершлаге. Эти участки разрушения оказались приуроченными к зоне нарушения за пределами очистного пространства.
Многочисленные визуальные обследования мест проявлений горных ударов с участием автора этой статьи, материалы которых зафиксированы в соответствующих документах, хранящихся на руднике, подтвердили многие из выводов сейсмолога Ю.В. Резниченко о взаимосвязи между протяженностью активной части нарушений, сейсмической энергией при разрушении и объемом разрушенной области [4]. Так например, объем разрушенной примыкающей к плоскости нарушения породной зоны пропорционален амплитуде взаимного перемещения крыльев по шву нарушения, установленной после многих динамических явлений на одной из шахт СУБРа. При этом сама амплитуда перемещения по плоскости нарушения пропорциональна длине подвижной части шва. Также установлено что, подвижная или активная часть шва обычно имеет признаки унаследованного характера перемещения и связана с палео геодинамическим процессами в массиве месторождения, т.е. с интенсивностью тектонических подвижек в массиве с периода, предшествующего образованию залежи. Динамические процессы взаимного перемещения по шву нарушения с ощутимым разрушением массива происходят только начиняя с некоторой пороговой протяженности активной части смести-теля. Так например, в условиях СУБРа сейсмологами из Института Физики Земли была установлена [5] пороговая (минимальная) длина шва нарушения, с которой возможна интенсивная динамическая подвижка с заметным на глаз объемом разрушения породного участка, которая соответствует сейсмической энергии 102 Дж. При таком классе явлений протяженность зоны разрушения вдоль шва нарушения достигает 10-12 м, а глубина зоны разрушения в направлении перпендикулярном вектору перемещения вдоль сместителя достигает 0,3 м.
В активной части нарушения после динамического явления всегда выявляются две зоны сдвигового разрушения массива и две зоны разрушения по отрывным трещинам. Если взаимное перемещение блочной структуры происходит по контакту рудного тела с вмещающими породами, как например на СУБРе, то кровля из-за дополнительной трещиноватости становится настолько ослабленной, что не поддается поддержанию в естественном состоянии даже с помощью крепи.
В шахте всегда возможно определить механизм плавной или дискретной подвижки контактирующих породных блоков и оценить действующие физические факторы, вызвавшие неупругую деформацию на участке породного
массива.. После завершения динамической подвижки по шву на обоих крыльях дизъюнктива всегда видны следы подвижки на плоскостях шва в виде мелких или крупных борозд скольжения. И обладая информацией, полученной чисто визуально с помощью горного компаса, включающей направленность вектора подвижки крыльев смести-теля и значения угла сцепления по контакту шва до начала подвижки крыльев, устанавленной опытным путем , а также значения амплитуды подвижки крыльев нарушения, всегда можно определить уровень действовавших до начала процесса движения напряжений в породном массиве. Сказанное означает, что по реакции породного массива на действующие силы в пределах локальных участков всегда можно оценить поведение массива в большем объеме. И такой прогноз для практических целей будет вполне надежным, что неоднократно подтвердилось.
Описательно представленные в данной работе причины, физические факторы и механизм горного удара можно более детально продемонстрировать на примере Североуральских бокситовых месторождений, где таких физических явлений зарегистрировано визуально автором около 50, а факторы присутствуют в полном наборе. При этом следует отметить, что все приведенные выше рассуждения были подтверждены на Березовском золоторудном месторождении и на Кургазакском бокситовом месторождении, где сочетание факторов встречается лишь на отдельных участках массива. С другой стороны, на ряде рудников отмечается отсутствие полного набора факторов, что делает эти месторождения не удароопасными. К ним например можно отнести породный и рудный массив медно-цинковых месторождений Урала и глубоких горизонтов полиметаллического рудника в штате Колорадо (США).
В геолого-тектоническом аспекте Североуральские бокситовые месторождения являются частью пологопадающей на восток тектонической пластины, ограниченной двумя глубинными надвигами. Один из них (восточный) Крутоловско-Коноваловский надвиг подсечен буровыми работами и хорошо изучен [6]. По сейсмическим данным этот разлом прослеживается в меридиональном направлении более 250 км. Он представлен мощной зоной (до сотен метров) милонизированными и брекчиро-ванными породами с зеркалами скольжения на многих плоскостях. В верхней части толщи падение надвига крутое, на глубине 5 км - пологое. В северной части надви-говой зоны геологами были отмечены современные подвижки надвигового характера.
Указанная тектоническая пластина не является монолитной, а разбита на множество секторов крутопадающим сдвиговыми нарушениями северо-восточного простирания. Каждый из интересующих нас тектонических секторов включает в себя отдельное бокситовое месторождение. Детальная изученность бокситовой залежи показывает, что в настоящий период она является частью над-виговой разломной зоны, рассекающей массив в мери-
диональном направлении и возникшей как результат крупномасштабных перемещений нижнего крыла Круто-ловско-Коноваловского надвига относительно смежного западного надвига в западном направлении, и амплитуда перемещения его висячего крыла относительно лежачего по сейсмическим данным составляет 5-7 км.
В свою очередь, тектонически сформированная как надвиг (раздвиговая зона трансформировалась в надви-говую зону) рудная зона рассечена множеством мелких нарушений, сгруппированных по флангам каждой из отдельно взятых залежей. Сама тектоническая шовная зона надвигового типа условно включает разрушенную до брекчии толщу подстилающих светло-серых (рифоген-ных) известняков, рудный пласт (в виде трех-четырех пачек боксита с различными физическими свойствами) и мощную пачку рассланцованных и глинизированных (аргилитизирован-ных) известняков.
Большую роль в деформировании породного массива месторождения с самого начала его отработки выполняла рассланцованная пачка покрывающих рудное тело бито-минозных известняков, которая под действием проникающей в шахту воды изменяла свои физикомеханические свойства (прочность и угол сцепления по контакту слоев). Широкому проникновению воды в шахту способствовала система управления кровлей или технология добычи руды - система слоевого обрушения. При этой технологии выемки рудного тела налегающие породы после образования очистного пространства значительно разуплотняются, коэффициент фильтрации породных трещин возрастает. Весь массив постепенно обводняется и ослабляется.
Зафиксированный в 1970 году первый горный удар на месторождении «Красная шапочка» выявил слабые стороны в управлении горным давлением в конкретно горно-геологических условиях. Первоначально проявление горного давления в динамической форме связывалось только с неправильным определением параметров целика и его мгновенным разрушением от вертикальной компоненты напряжений. Но с 1973 года началось планомерное изучение динамических проявлений горного давления на различных шахтах месторождения как многофакторного явления. Под методическим руководством института ВНИМИ исследовались горно-геологические факторы, приводящие к динамическому разрушению целиков, одиночных подготовительных и даже капитальных выработок глубоких горизонтов (глубже 400 м от поверхности). Для изучения факторов, способствующих возникновению горных ударов были привлечены большие материальные средства и весь набор методов по выявлению зон опорного давления и деформаций в массиве локального характера, а также напряженного состояния массива пород всех бокситовых месторождений СУБРа. Для изучения причин формирования горных ударов на более высоком масштабном уровне была запущена сейсмостанция «Североуральск». Данные этой
сейсмостанции сразу же расширили представления о характере горных ударов на месторождении и позволили определиться с физической моделью этого грозного явления природы.
Изучение ряда технологических факторов, связанных с возникновением и проявлением горных ударов в рудной залежи разных горизонтов отработки различных шахт выявило некоторые закономерности, которые были положены в инструктивные документы по прогнозированию горных ударов на шахтах СУБРа и методам их предотвращения. Созданная на предприятии служба прогноза и профилактики горных ударов успешно работает по обозначенным направлениям уже 25 лет. Г одовые отчеты этой службы изобилуют информацией о проявлениях горного давления в разнообразных горно-геологических и горнотехнических ситуациях и достижениях на поприще предотвращения горных ударов в потенциально удароопасных выемочных блоках и забоях шахт, однако динамические явления в шахтах до сих пор имеют место.
Пожалуй, здесь следует указать на трудность получения истинных знаний о природе любого физического явления в недрах. Тем более, если причиной такого явления служат одновременно деформации земной коры в целом и деформации части верхней ее оболочки от ведения горных работ. Оба эти фактора накладываются друг на друга в разных пропорциях в связи с разработкой месторождения, поскольку любое эндогенное рудное месторождение приурочено к самым напряженным и одновременно самым ослабленным областям земной коры.. Поэтому для получения полноты информации о физических процессах в породном массиве обязателен фактор времени, который позволяет постепенно отвести все ложные теории и взгляды и найти объективный подход к природе сложных явлений. В каждом конкретном случае также следует принять во внимание и истинную информацию о генезисе месторождения или о палео геодинамике месторождения, которой мы в полной степени не обладаем.
Продолжительный период исследований автора по проблеме горных ударов на ряде месторождений кроме СУБРа позволил выявить истинные факторы, необходимые и достаточные для проявления горных ударов в породном массиве месторождения и очистных выработках шахт СУБРа:
• высокий начальный уровень максимальной компоненты напряжений;
• трансформация поля напряжений в сторону большей неоднородности поля;
• широкий спектр ориентировок тектонических нарушений и ослаблений массива;
• различный начальный угол трения по контактам плоскостей ослаблений;
• проникновение воды в плоскости ослаблений;
• достаточная протяженность соответствующих тектонических швов.
Рис. Начальное распределение напряжений в массиве горных пород Североуральских бокситовых месторождений
Два фактора из пяти по времени появления относятся к началу палеозоя, они возникли при образовании геологической системы бокситовых месторождений и в настоящее время являются унаследованными. Один фактор формировался в течение длительного геологического периода и является самым непостоянным. Два фактора связаны в большей степени с разработкой месторождения и на ряде участков могут изменяться лишь в небольшой степени.
Все указанные факторы могут быть включены в известную геомеханикам физическую модель состояния породного массива перед разрушением конкретного участка массива посредством уравнения:
Хсдв > Хсц, (l)
где Хсдв - сила сдвига или касательное напряжение вдоль плоскости ослабления; Хсц -сила сцепления по контакту берегов нарушения.
Уравнение (l) физически обозначает условие начала межблоковой подвижки в массиве, когда сила сдвига (касательное напряжение) в плоскости дизъюнктива превышает силу сцепления по контакту соответствующей плоскости ослабления.
В полном виде неравенство (l) запишется следующим образом:
0,5(С1 -C3)sin2a >
>(С1 sin a + Сз cos a) tg фs + Cl (2)
где Сі - значение максимального главного напряжения на участке массива; Сз - значение минимального главного напряжения на участке массива; a - угол между максимальным главным напряжением и плоскостью ослабления; фs - начальный (к моменту подвижки) угол сцепления по контакту в плоскости ослабления; С1 - начальное сцепление в плоскости контакта.
Это неравенство имеет физический смысл, когда породный массив нагружается в одном направлении, два других направления - это реакция массива на нагрузку,
т.е. С1 > Сз.
Опытным путем на множестве объектов наблюдения в натурных условиях шахт было получено, что условием возникновения динамических явлений служит предельная величина фs , которая лежит в пределах от 15o-25o. Для угла a также имеются значительные ограничения. Кроме того, динамическая подвижка по контакту происходит только при определенном соотношении Сі/Сз.
Теперь рассмотрим, как реализуется данная физико-математическая модель состояния отдельных участков массива в конкретных условиях шахт СУБРа. Для этого последовательно решим ряд физических задач. Начальные условия задач даны в краткой форме без математических значений отдельных факторов, а ответ будет сформулирован в виде: возможны или не-
возможны динамические проявления горного давления на конкретном участке массива при заданных условиях. Все условия задачи взяты из натуры в обобщенном виде на участках, где происходили горные удары, и на участках, где их никогда не было..
Задача 1. Рудная залежь не отрабатывается (рис.) Начальное поле напряжений имеет такие параметры: Сь С2: СТз= 1:0,6:0,5. Эти параметры установленні автором данной публикации с помощью метода разгрузки керна скважин по способу ВНИМИ и способу Лимана, а затем по параметрам дискования керна в различно ориентированных скважинах в период 1973-1989 годов. Определено, что максимальное главное напряжение С°1 ориентировано субширотно в горизонтальной плоскости, а по отношению к положению рудной залежи оно находится, как показано на рисунке. Угол между Сі и линией падения рудного тела составляет около 30°.
Решение всех задач выполним в системе координат ХОУ по методике С.В. Кузнецова [7].
В координатной системе ХОУ напряженное состояние породного массива запишется в виде: Сх =1,75С3; Су = 1,25С3; Тху =0,43С3
Решение :
Наиболее ослабленной плоскостью в породном массиве является плоскость (шов) на контакте рассланцован-ных пород с рудным телом. Угол трения по контакту рас-сланцованной пачки известняков лежит в пределах от 10° до 20° (возрастает с удалением от контакта с рудой).
Решая уравнение (2) с учетом двух различных значений угла трения по контакту (20° и 10°) и и разных значений начального сцепления (2 МПа и 0,5 МПа), получим два варианта ответов:
1 фs = 10°, хсдв = 0,43ст3 Мпа, тсц = (0,22ст3+ 0,5) МПа .По отдельным слоям или плоскостям протяженностью до 5-8 м возможен сдвиг, поскольку хсдв >тсц,
2. фs =20°, хсдв =0,43ст3; тсц = (0,46ст3, + 2) МПа. Вдоль всей плоскости рассланцевания сдвига не будет, поскольку Хсдв<Хсц
Таким образом, в ненарушенном горными работами массиве на большом протяжении контакта в тектонической зоне контакта руда-породы динамических подвижек при сухом контакте на большой площади залежи нет. Система контакта между рудой и породой квазиустойчи-ва.
Задача 2. Создается протяженное по простиранию рудной залежи очистное пространство. Длина свободного пространства по падению достигает 200 м. Пространство по восстанию залежи ограничено безрудной зоной, широким барьерным рудным целиком или закладочным массивом.
Требуется оценить ситуацию в массиве в 40 м ниже очистного забоя.
Решение:
С учетом методики С.В. Кузнецова определим новые значения главных компонент напряжений в искомой области массива. Получим:
Ст1 = 3,4 ст3; ст3 = 2,1ст3;
Далее, решая уравнение (2) найдем:
-по отдельным плоскостям слоев сдвиг возможен : хсдв
>Хсц
-по всей зоне рассланцевания сдвиг не возможен:
Тсдв<Тст,
Итак, в данной области массива при сухом контакте руда-порода на большой площади залежи мы также имеем неопасную ситуацию по проявлению горных ударов.
Задача 3. Участок массива расположен в 40 м выше линии очистной добычи (забоя). При этом если рудную залежь и кровлю рассекает плоскость шва нарушения сбросового типа с амплитудой смещения крыльев более 0,5 м, имеющая субмеридиональное простирание и крутое падение (Р пад =60°-80° ) с углом трения по контакту 20° (шов без заполнителя, плоскости шероховатые. (или шероховатые плоскости шва залечены кальцитом)
Решение:
Сначала определим главные напряжения в искомой области массива. Получим ст1 = 2,1 С3; С3 = 0,1 С3; Для полученных значений поля напряжений контакт руда-породы кровли в качестве ослабления уже не играет существенного значения, так как угол О = 0. Однако, при наличии сбросовых нарушений, которые встречаются повсеместно О > 0. Например, решим уравнение (2) при О =30° и фs = 20° и получим Хсдв
> Хсц. Это обозначает, что в искомой области массива неизбежно произойдет динамическое явление с разрушением за счет перемещения крыльев сбросового нарушения. По плоскости нарушения произойдет новый сбросовый тип подвижки крыльев сместителя с мгновенным разрушением пород и образованием купола обрушения над очистной камерой.
Задача 4. Расположение искомого участка массива аналогичное, что в задаче 3, но при этом в кровле или почве очистной камеры имеются плоскости сдвиговых нарушений с амплитудой смещения крыльев более 0,2 м. Пусть шов нарушения имеет северо-восточное простирание и крутое падение ((Р пад = 70-90°). Угол сцепления по контакту шва около 15° ( шов прямолинейный по простиранию и залечен кальцитом)
Решение:
Решая уравнение (2) относительно главных компонент напряжений 0\ и С2 с параметрами шва фs =15° и О =30-45°, получим:Хсдв > Хсц,.
В данной области массива возможно возникновение мелкомасштабной динамической подвижки по плоскости шва нарушения по типу левый сдвиг. Здесь в зависимости от протяженности плоскости шва взаимное перемещение крыльев сместителя может привести к динамичному обрушению кровли камеры, а может и не вызвать обрушения пород в выработку.
Задача 5. В тектоническую зону , включающую пачку рассланцованных известняков и рудную залежь, расположенную по восстанию от линии очистных работ, попадает вода, за счет чего угол сцепления по контакту в пределах зоны уменьшается с 20° до 10°, а в пределах одного слоя снижается с 10° до 5°. Будут ли изменения геомеханического состояния породного массива кровли камеры?
Решение:
Решая уравнение (2) с учетом условий задачи 3, получим: Хсдв > Хсц,.
Это означает, что при попадании воды в кровлю очистной камеры в последней произойдут подвижки по многим плоскостям рассланцеваний. Подвижки возникнут и по плоскостям швов всех крутопадающих нарушений и протяженных трешин. Кровля окажется неустойчивой на значительную высоту от обнажения. Однако все подвижки в массиве будут плавными и приведут к постепенному обрушению покрывающей пачки пород.
Задача 6: Вода попадает в рассланцованную толщу тектонической зоны, расположенной по падению залежи, т.е. ниже очистной камеры, за счет этого угол сцепления по контакту зоны в целом уменьшается с 20° до10°. Как изменится геомеханическое состояние на данном участке? Что произойдет в этой области массива?
Решение:
Начальное поле напряжений трансформируется по схеме, как показано в задаче 2. Новые компоненты главных напряжений окажутся следующими: 0\ = 3,4 а3; С 3 = 2,1 а 3; однако угол сцепления по контактам в рас-сланцованой зоне уже станет другим и будет составлять всего лишь от 5° для одной плоскости и 10° для всей увлажненной породной пачки зоны нарушения. В данном случае физическое состояние массива здесь запишется в виде Хсдв > Хсц,., т.е. на всю мощность этой пачки рас-
сланцевания пройдут плавные сдвиги по ряду плоскостей с небольшими амплитудами.
В результате сдвиговых деформации в массиве произойдет новая трансформация поля напряжений, так что максимальное главное напряжение а1 окажется близким к значению аэ. Это соотношение главных компонент напряжений (максимальной и минимальной) близкое к единице обозначает, что в текущее время подвижки по плоскостям рассланцевания прекратились, разрушения массива не предвидится в течение длительного времени..
Задача 7. В нетронутой горными работами области массива, находящейся ниже линии очистных работ за счет попадания воды и снижения угла трения по контакту шва, произошли плавные подвижки по плоскостям рас-сланцевания. Что в это время произойдет в соседней по простиранию залежи области в рассланцованном массиве, где в этот период ведутся горные работы? Как пройдет трансформация поля напряжений под влиянием сдвиговых процессов в соседней области массива по площади залежи? Повлияет ли вызванная водой трансформация поля напряжений в одной области массива на состояние всего массива на контакте кровля-руда и на устойчивость вмещающего породного массива в соседних областях?
Решение:
Согласно результатов моделирования подобной гео-механической ситуации в Институте физики земли в соседней по простиранию рудной залежи области массива значение максимальной компоненты напряжений возрастет на 20-30 % от разницы главных компонент напряжений а: и а3 при трансформации поля напряжений в соседней области. Таким образом, главная максимальная компонента напряжений достигнет значения С: = 3,7аз. Решая уравнение (2), получим, что в рассланцованной кровле впереди очистного пространстваХсдв > Хсц.
Значительное превышение значения касательного напряжения в одной или группе соседних плоскостей в тектонической рассланцованной зоне над силами сцепления по соответствующим плоскостям швов и значении угла трения по контакту 20° несомненно приведет к динамической подвижке вдоль конкретной плоскости, причем эта плоскость может находиться как непосредственно на контакте с рудным телом, так и быть удалена от него до 3-4 метров. Особенность физического явления в интересующей области массива состоит в том, что смещение вдоль ослабленной плоскости произойдет в условиях объемного сжатия с энергоемким разрушением участка массива.
Из натурных наблюдений и соответствующих физических моделей поведения массив вытекает, что динамическое перемещение смежных участков массива при высоком значении силы трения по контакту кровля-руда приведет к разрушению области массива в значительном объеме. То есть, в этом случае в породном массиве обяза-
тельно произойдет мощное сейсмическое явление с большой амплитудой смещения вдоль плоскости смести-теля в центральной его части. Согласно модели Ю.В. Резниченко в результате такой подвижки образуется эллипсоид разрушения массива. По типу подвижки крыла сместителя (рассланцованной пачки пород непосредственной кровли) - это чистый надвиг. По характеру разрушения массива - это площадное разрушение кровли с частичным вовлечением в этот процесс рудного тела. Подобных по типу надвиговых подвижек в породном массиве на Североуральских месторождениях зафиксировано большое количество. Сейсмическая энергия таких событий - более 102 Дж.
Перераспределение напряженного состояния в указанном массиве пород приведет к существенному превышению одной горизонтальной компоненты напряжений над другой в смежной области, т.е. С1 = 3,0 С2. При наличии там крутопадающих тектонических нарушений сдвигового типа с параметрами фs =15° и соответствующими углами по отношению к главным компонентам напряжений возникают динамические подвижки сдвигового типа. Согласно принятой на СУБРе классификации - это толчки с сейсмической энергией более 103 Дж.
Таким образом, вода является причиной мощных горно-тектонических ударов в соответствующих областях массива.
Задача 8. Что может произойти в интересующей нас ненарушенной очистными работами области массива, если в соседнюю область массива, представленную рас-сланцованной зоной покрывающих известняков, где уже идут горные работы, попадает вода?
Решение:
Согласно результатов, которые получены при решении задачи 5, в кровле очистного блока физически будет выполнено условие Хсдв > Хсц. Причем, это условие выполняется в кровле не только вдоль отдельных плоскостей рассланцевания. Вся увлажненная пачка тектонической зоны непосредственной кровли придет в движение относительно рудного тела на большой площади. В этом случае висячее крыло тектонической зоны перемещается по восстанию по ряду плоскостей с образованием небольших зияний между отдельными пачками пород. В данном случае в отдельных участках кровли проявляется эффект разуплотнения массива в вертикальном направлении, Это физическое явление в шахтных условиях фиксировалось неоднократно. Все перемещения вдоль плоскостей рассланцевания проходят плавно. Эти перемещения вызывают трансформацию напряжений на данном и на смежном участках массива.
Значение главной максимальной компоненты напряжений согласно результатам моделирования, выполненных в Институте Физики Земли, в области увлажненного шва дизъюнктива уменьшается в 1,6-1,7 раза по отношению к ее исходному значению, а в области ниже по падению сместителя на удалении до 0,2Ь (Ь -длина увлажненной зоны по падению) увеличивается на 40 % [8]. Таким образом, значение главной максимальной компоненты напряжений в интересующей нас области массива окажется равным 2, 8а3 МПа. Сила сцепления по контактам тектонической зоны при угле трения по контакту равного 15° будет иметь величину (0,4С3. + 2) МПа. Сила сдвига по контактам окажется равной 0, 77аз. МПа.
Итак, на искомом участке тектонической зоны покрывающих пород начиная с глубины 100-200 м (где а3 = 6 МПа) выполняется геомеханическое условие: Х сдв > Хсц. Физически это неравенство означает, что вследствие трансформации поля напряжений под влиянием воды в соседней области массива произойдет динамическое явление с разрушением тектонической зоны, включающей покрывающие залежь известняки.
Тектоническая подвижка имеет надвиговый тип с образованием соответствующей ей зоны разрушения в кровле и в рудном пласте.
Таким образом, рассмотрев 7 различных геодинамических ситуаций в нарушенном горными работами породном массиве Североуральских бокситовых месторождений, придем к пониманию того, что в обширных областях покрывающих и подстилающих пород создаются условия для плавных и последующих за ними динамических подвижек по шву тектонических нарушений. В зависимости от ориентировки тектонических нарушений по отношению к странам света и векторам главных напряжений здесь могут происходить различные типы динамических подвижек по плоскостям соответствующих сместителей. Могут возникать надвиги, сдвиги, сбросы и промежуточные типы тектонических подвижек крыльев нарушений в массиве, окружающем рудную залежь. Чаще всего они предваряются плавными подвижками того же типа, хотя бы в отдельных областях массива.
Поскольку спектр имеющихся дислокаций массива на Североуральских месторождениях довольно широк, так же как спектр ориентировок главных напряжений после соответствующей трансформации поля напряжений на отдельных участках нарушенного горными работами массива, то обычно мы имеем дело с промежуточным типом тектонических подвижек (взбросо-сдвиг, сбросо-
сдвиг и т.д.). Это наглядно иллюстрируют результаты сейсмического мониторинга породного массива, полученные на сейсмостанции «Североуральск» по параметрам сейсмических волн, зарегистрированных в нескольких точках массива, и помещенные в таблицу.
Возникновению горных ударов в условиях предельно напряженного состояния массива в области тектонических ослаблений способствуют и некоторые профилактические мероприятия по предотвращению динамических явлений. Нужно подчеркнуть, что породный массив месторождения к моменту ведения очистных работ имеет предельно напряженное состояние. Поэтому следует отметить, что любое воздействие человека на предельно напряженный массив, если мы не обладаем исчерпы-
вающей информацией о его структуре и напряженном состоянии, имеет нежелательные последствия Например вредным может быть какое-либо силовое воздействие (изменение напряженного состояния) на массив даже при проходке подготовительных выработок. Само воздействие может быть в двух вариантах:
1. Создание разгрузочной щели в рудном теле. Ориентировка щели - горизонтальная.
После создания соответствующей щели уменьшается вертикальная компонента напряжений в области над и под плоскостью щели. Анизотропия поля напряжений после такого технологического вмешательства становится выше, чем была в начале до воздействия. В этом случае решение уравнения (2) обязательно даст выполнение физического условия Хсдв >Хсц. по контактам пачки слоев рассланцованной зоны. В результате такой «разгрузки» участка массива можем получить динамическое сдвижение относительно нижнего смежного участка с разрушением области разгрузочной щели.
2. Создание разгрузочной щели, разгрузочная щель ориентирована по простиранию рудной залежи в вертикальной плоскости.
Таблица
ТИПЫ СЕЙСМИЧЕСКИХ ПОДВИЖЕК ПО ПЛОСКОСТЯМ НАРУШЕНИЙ В ДОБЫЧНОМ БЛОКЕ 1-Ю ГОР.365 М ШАХТЫ 15-15-БИС ЗА ГОДОВОЙ ПЕРИОД.
N Дата подвижки Сейсмическая энергия, Дж Тип подвижки по плоскости ослабления
1 03. 12 1985 5,4 х 104 взброс
2 23. 12 5,4 х 104 взбросо-сдвиг
3 29 .12 1,9 х 104 взбросо-сдвиг
4 26 .03. 1986 8,8 х102 сдвиг
5 04. 04. 1,4 х 104 сдвиг
6 12 .04 3,6 х 102 сдвиго-взброс
7 14. 04. 1,8 х 102 сброс
8 05. 06 1,0 х 104 взброс
9 05. 06 1,5 х 103 сдвиг
10 22. 08 1,5 х 104 сбросо -сдвиг
11 23. 08 3,6 х 103 сбросо-сдвиг
12 24. 08 1,2 х 103 взбросо-сдвиг
13 13. 09 5,5 х 103 взбросо-сдвиг
Перераспределение на участке массива в результате такой операции приведет к геомеханической ситуации, которая изложена в задачах 3 и 4, т.е. вблизи плоскости щели может произойти локальное обрушение пород.
В этой статье не раскрыты причины возникновения горных ударов в рудных целиках на большой площади залежи, когда очистные работы в добычном блоке уже закончены. Вероятно, что причиной таких разрушений является деформирование самой рудной залежи как составной части тектонической зоны, ослабленной горными работами, на фоне региональных надвиговых подвижек вдоль этой зоны. Механизм этих явлений требует изучения, а их прогноз невозможен без мониторинга процессов сдвижения вдоль тектонической зоны.
Выводы:
1. Динамические явления в шахтах и на открытых горных предприятиях могут происходить на тех рудных и угольных месторождениях, где присутствуют такие факторы как:
• высокая неоднородность поля напряжений в породном массиве,
• широкий спектр ориентировок плоскостей ослаблений массива,
• наличие соответствующих условий сцепления по контакту швов нарушений,
• увлажненность швов ослаблений в одних местах и залеченность в других местах,
• создание незаполненных очистных пространств с большой площадью.
2. Г лубина ведения очистных работ или расположения очистного пространства по отношению к земной поверхности играет вторичную роль. Основным фактором становится увлажненность плоскостей ослаблений и способ управления горным давлением при выемке рудной залежи.
3. Возникновению динамических явлений на одном участке породного массива в результате дискретной подвижки по тектоническому шву чаще всего предшествуют плавные подвижки по аналогичным плоскостям смести-телей на соседних участках массива.
4. Профилактические мероприятия по предотвращению горных ударов без оценки действующего поля напряжений и перечисленных параметров зон тектонических ослаблений на соответствующем породном участке массива могут привести к нежелательным последствиям вмешательства - динамическому явлению с разрушением.
5. При определении причины горного удара на любом рудном месторождении требуется полнота информации о состоянии массива в области на порядок превышающей объем разрушенного участка массива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Талобр Ж. Механика горных пород - М.: Госн. научн- тех. издат, -427 с.
2. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород -М.: Недра, 1979, 271 с.
3. Введение в механику сальных пород -М.: Мир, 1983, 274 с.
4. Резниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент// Исследование по физике землетрясений - М.: Наука, 1976.
5. Горбунова И.В., Кальметьева
З.А.. Воинов К.А. О выявлении направлений разрывообразования по записям горных ударов // ФТПРПИ. 1988, N 2, С.25-35.
6. Казачихин В.А., Колечин А.А., Сегаль Ю.З. Тектоническое районирование Тагило-Магнито-горского прогиба на Северном Урале с помощью геофизтческих методов // Сб. Тектоника и металлогения Урала -Свердловск: 1980, С.89-93.
7. Кузнецов С.В. Общие закономерности и характерные особенности перераспределения напряжений в массивах горных пород при развитии выработанного пространства // ФТПРПИ - 1988, N 6, С. 18-31.
8. Поля напряжений и деформаций в земной коре - М.: Наука, 1987. 183 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
,__________________________________________________________________________________
Со
Ермаков Н.И. — Институт горного дела Уральского отделения РАН.
