CC BY
25
октября 2004 г. Чакыйский разлом пересекает Якутский свод в субширотном направлении и имеет протяжённость 275 км. В осадочном чехле он не проявлен. Нижнеалданс-кий разлом субширотного простирания имеет протяжённость 480 км, отделяет структуры Якутского свода и Алданскую ветвь Предверхоянского краевого прогиба. Выделяется магнитной градиентной ступенью [3].
Таким образом, наиболее крупный Якутский разлом имеет субмеридиональное простирание. К зоне разлома приурочен лишь один эпицентр Кангаласского землетрясения, произошедшего в 1957 г. Тектонические сейсмогенерирующие структуры субширотного простирания здесь не установлены, однако наблюдается редкая сеть эпицентров слабых землетрясений, протягивающихся на восток в сторону Западно-Верхоянского мегантиклинория. Видимо, это обстоятельство послужило главным аргументом присоединения описываемой территории к сейсмической зоне хр. Черского и увеличения на картах ОСР- 97 сейсмоопасности г. Якутска с 5 до 8 баллов [4].
Принятие неотложных мер по уточнению сейсмического районирования, переход к строительству сейсмостойких зданий и укреплению существующих уязвимых объек-
тов позволят сохранить жизнь жителям республики, избежать экологических катастроф и многомиллиардных затрат на сейсмостойкое строительство в районах повышенной сейсмической опасности, на восстановление разрушенных землетрясениями городов и промышленных объектов, построенных без учёта реальной сейсмической опасности территории.
Литература
1. Имаев B.C., Имаева Л.П., КозьминБ.М. Сейсмотектоника Якутии. М.: ГЕОС, 2000. 226 с.
2. Мокшанцев К.Б., Гусев Г.С., Петров А.Ф. Геологические критерии сейсмичности территории Якутской АССР // Сейсмическое районирование Якутии и сопредельных территорий. Якутск: Якутское кн. изд-во, 1975. С. 47-64.
3. Петров А.Ф., Шибаев С.В., Тимиршин К.В. Сейсмостойкое строительство и сейсмичность территории Якутии // Наука -строительному комплексу Севера. Якутск, 2000. С. 35-40.
4. Горноштейн Д.К., Мокшанцев К.Б., Петров А.Ф. Разломы восточной части Сибирской платформы // Разломная тектоника Якутской АССР: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1976. С. 10-63.
E.N. Chemesov, A.F. Petrov, T.E. Blinova
On seismic hazard on the territory of Yakutia
The article presents seismic characteristic of the territory of Yakutia, a statistics on earthquakes and studies a problem of seismic reinforcing of buildings in built-up areas of the republic.
УДК 622.283
М.М. Иудин
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА РУДНИКАХ СЕВЕРА
Рассмотрены и предложены способы совершенствования нормативного расчета параметров крепи горных выработок в мерзлых породах, что позволяет учитывать геомеханические процессы в породном массиве на разных стадиях проектирования.
Стратегия рационального освоения рудных минерально-сырьевых ресурсов Севера основывается на подземном способе разработки месторождений, специфические условия эксплуатации которых заключаются в наличии криолитозоны, сурового климата, слаборазвитой инфраструктуры. Основными факторами, определяющими возникновение различных криогенно-технологических осложнений при подземной добыче полезных ископаемых на рудниках Севера, являются: температура мерзлых пород и шахтного воздуха и их знакопеременность по времени;
суровые природно-климатические условия; обводненность месторождений.
Месторождения полезных ископаемых на Севере располагаются на огромной территории от Архангельской области до Чукотки на востоке с весьма разными геокриологическими условиями. Если рассмотреть геокриологические условия, то необходимо отметить, что в районе Воркуты и Норильска распространена островная, многолетняя мерзлота небольшой мощности 40-60 м с естественной температурой грунтов -2 - -3°С на глубине 15-20 м от
дневной поверхности. Породы, слагающие мерзлый массив горных пород, состоят из четвертичных отложений: супеси, песка, глинистых брекчий, галечников, в то время как на месторождениях Северо-Востока нижняя граница многолетней мерзлоты проходит на глубине 400-800 м, а температура горных пород достигает -6 - -10°С. Состав и строение горных пород, слагающих многолетнемерзлый массив, значительно разнообразнее и включают такие породы, как песчаники, известняки, мергели, доломиты, алевролиты и т.д. Поэтому в данных условиях наиболее сильно влияние температурного фактора на геомеханические процессы в многолетнемерзлом массиве пород вокруг выработок.
При проектировании крепи горных выработок на рудниках Севера применяются методы, основанные на рекомендациях нормативных документов [1]. Такой подход к проектированию крепи горных выработок (вертикальных, горизонтальных) в геокриологических условиях Севера является довольно простым и не учитывает особенности термомеханического взаимодействия крепи выработки и многолетнемерзлого породного массива. Многолетняя практика эксплуатации горных выработок показывает, что геомеханические процессы в породном массиве существенным образом зависят от температурного состояния горных пород, что должно отражаться в методах проектирования крепления выработок.
В настоящее время проектирование вертикальных стволов осуществляется в соответствии с рекомендациями СНиП [1]. В этом нормативном документе основой расчета является оценка устойчивости горных пород по показателю, представляющему собой отношение силы тяжести горных пород и сопротивления пород сжатию. По ней производится расчет нагрузки на крепь вертикального ствола и определяются параметры крепи.
Величину критерия устойчивости пород вертикальной выработки следует определять по формуле:
С =
26,3 + каЯс (5,25 + 0,0056каЯс )
где кг - коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды: для участков вне водоносных горизонтов равен 1; для пород водоносных горизонтов определяется по данным специализированных организаций;
ксб - коэффициент воздействия на ствол других выработок: для протяженной части равен 1; для сопряжений -1,5;
к - коэффициент воздействия на ствол очистных работ: для участков вне влияния очистных работ равен 1; для других участков принимается по данным специализированных организаций;
кб - коэффициент влияния угла залегания пород: для горизонтальных пластов равен 1; для остальных рассчитывается по СНиПу.
Расчетное сопротивление пород сжатию определяется по формуле:
Я = Як, МПа,
с с 7
где кс - коэффициент, учитывающий нарушенность массива пород поверхностями без сцепления либо с малой связностью (табл. 1).
Таблица 1
Коэффициент структурного ослабления
Среднее расстояние между поверхностями ослабления пород, м Коэффициент кС
Более 1,5 0,9
От 1,5 до 1 0,8
От 1 до 0,5 0,6
От 0,5 до 0,1 0,4
Менее 0,1 0,2
Нарушенность пород оценивается средней величиной расстояния между трещинами и ослабленными поверхностями с малой связностью. Этот показатель рекомендуется устанавливать по данным о целостности извлекаемого из скважины керна и среднему расстоянию между его естественными разломами (табл. 2).
Таблица 2
Категории нарушенности горных пород по СНиПу
Класс нарушенное™ пород Характеристика нарушенное™ Состояние нарушенное™ извлекаемого керна
I Практически монолитные (исключительно крупноблочные) Выход керна практически без разломов, среднее расстояние между разломами свыше 1,5 м
II Малотрещиноватые (весьма крупноблочные) Выход керна с разломами в среднем через 1-1,5 м
III Среднетрещиноватые (крупноблочные) Выход крупнокусковатого керна с разломами в среднем через 0,5-1 м
IV Сильнотрещиноватые (среднеблочные) Выход керна кусками с разломами в среднем через 0,1-0,5 м
V Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные) Выход керна обломками и мелочью, разломы менее чем через 0,1 м
Отметим, что среднее расстояние между поверхностями ослабления пород (табл. 1) соответствует среднему расстоянию между разломами керна в табл. 2. Это позволяет на стадии геологической разведки определить коэффициент структурного ослабления горных пород.
Изменение модуля упругости горных пород в окрестности выработки определяется величиной интенсивности трещиноватости 1Т через коэффициент к [2]:
к =-----------
1 + 0,51 Т '
По логическому смыслу этот коэффициент соответствует нормативному коэффициенту кС и позволяет находить связь с трещиноватостью горных пород и ее распределением в породном массиве, что определяет ее практическую ценность. Таким образом, через этот коэффициент к можно связать данные табл. 1 и 2, что позволяет учитывать влияние изменения модуля упругости горных пород в окрестности выработки на устойчивость породного обнажения.
Тогда выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части ствола, а также участков сопряжения следует производить по категории устойчивости породного обнажения вертикального ствола с учетом изменения модуля упругости горных пород (табл. 3).
Таблица 3
Оценка устойчивости пород вертикального ствола
Категория устойчивости пород Оценка состояния устойчивости пород Критерий устойчивости пород в вертикальной выработке С
I Устойчивое До 3
II Среднеустойчи- вое От 3 до 6
III Неустойчивое От 6 до 10
IV Очень неустойчивое Более 10
В зависимости от характера проявлений в выработке горного давления и напряженно-деформированного состояния породного массива и требуемых мер для ее поддержания в рабочем состоянии в СНиПе выделены 4 категории устойчивости пород (табл. 4).
Таблица 4
Технические меры поддержания выработки
Катего- рия Оценка состоя- ния Общая характеристика состояния пород Методы поддержания выработки
I Устой- чивое Разрушения пород отсутствуют (либо имеются отдельные нарушения); смещения пород не отражаются на изменении формы и размеров обнажений Эксплуатация выработки возможна без крепи либо при изолирующих типах крепи
II Средне- устой- чивое Разрушения пород имеют незначительное распространение в глубь массива; смещения пород и нагрузки на крепь невелики и, как правило, носят затухающий характер Применение крепей маломощных, податливых, а также ограж-дающе-упрочняющих типов
III Неус- тойчи- вое Разрушениями пород охвачена обширная зона в глубь массива; значительные смещения пород и нагрузки на крепь, слабо затухающие во времени Применение жестких и ограниченно податливых крепей с большой несущей способностью
IV Очень неус- тойчи- вое Вокруг выработки формируется большая зона разрушенных пород, образующаяся непосредственно у груди забоя; весьма значительны смещения пород на жесткую крепь выработки Применение мощных замкнутых ограниченно-податливых крепей в сочетании с различными способами упрочнения пород
Достаточно подробно описаны общие характеристики состояния горных пород вокруг выработки, что позволяет точно определять категорию их устойчивости и качественные параметры крепления выработки. С другой стороны, нет рекомендаций по выбору конкретных типов крепи и методов оптимизации параметров, особенно в сложных горно-геологических условиях.
В настоящее время проектирование горизонтальных и наклонных выработок осуществляется в соответствии с
рекомендациями СНиП [1]. В этом нормативном документе основой расчета является оценка устойчивости горных пород по показателю их смещения на контуре обнажения на конец эксплуатации выработки (табл. 5).
Методическая основа рекомендаций ВНИМИ [3] по расчету параметров крепи горизонтальной или наклонной выработки сводится к тому, что типовое (базовое) смещение пород существенным образом зависит от глубины разработки и прочности вмещающих пород. Эти факторы
Таблица 5
Оценка устойчивости пород
Категория устойчивости пород в выработке Оценка состояния устойчивости пород Смещение, U, мм
Осадочные породы (песчаник, известняк И др.) Изверженные породы (граниты, диориты и др.) Соляные породы (каменная соль, сильвинит, карналлит идр.)
I Устойчивое До 50 До 20 До 200
II Среднеус- тойчивое 50-200 20-100 200-300
III Неустойчи- вое 200-500 100-200 300-500
IV Очень неустойчивое Свыше 500 Свыше 200 Свыше 500
являются главными, формирующими напряженное и деформационное состояние породного массива вокруг выработки. Остальные горно-геологические условия месторождения, влияющие на развитие геомеханических процессов в массиве, корректируются коэффициентами.
Смещение породного обнажения в горизонтальной или наклонной выработке, расположенной в осадочных и изверженных породах, вычисляется по формуле [3]:
U = kakekSktkBUT , где UT - смещение пород, принятое за типовое, мм; ка -коэффициент влияния угла залегания пород и направления
800 % 700 н 600 £
$ 500 I 400 о 300
CU
§ 200 ^ 100
0
5 10 15 20 25 30
Отношение Hp /Rc -------а-------б-------в
Рис. 1. Зависимость типового смещения горных пород от отношения расчетной глубины расположения выработки
к расчетному сопротивлению пород - сжатию: а) - Яс = 5-10 МПа; б) - Яс = 20-30 МПа; в) - Яс = 40-60 МП
S S
/ * /
/ / ✓
/ Ф - / У s
\ \\
Ф
проходки выработки относительно простирания пород; кц - коэффициент направления смещения пород; кв - коэффициент влияния размера выработки; к1 - коэффициент влияния времени возведения крепи; кв - коэффициент воздействия других выработок.
Типовое смещение пород вокруг выработки определяется по рекомендациям, разработанным ВНИМИ и ВНИИ-ОМШС Минуглепрома СССР [3]. Если подойти к расчету типового смещения по схеме [4], то получим следующие результаты. Рекомендации ВНИМИ по определению типового смещения преобразуем в зависимость, которая позволяет описать их уравнениями регрессии (рис. 1).
Характер распределения типового смещения горных пород показывает следующие зависимости:
- в варианте (а) уравнение аппроксимации имеет вид:
И.
и = 10,2-
-16
- в варианте (б) уравнение аппроксимации имеет вид:
Г я. ^2
и = 0,36
V Яс у
я
+ 6,8-^ - 3
Яг,
- в варианте (в) уравнение аппроксимации имеет вид:
(И \2-096 ит = 0,57 -р-
I *с ) .
Во всех вариантах коэффициент корреляции составляет
0,99. Анализ результатов показывает, что при небольшой прочности пород уравнение регрессии имеет прямолинейный вид, с увеличением прочности пород появляется нелинейность уравнений. Таким образом, утверждение «... смещение кровли в различных горно-технических ситуациях приобретает смысл универсальной постоянной. Применительно к стохастическим по своей природе среде (массиву горных пород) и процессам, происходящим в массиве при ведении горных работ, это представляется маловероятным» [4, с. 124], не является обоснованным и требует практического подтверждения.
Разработка функциональных коэффициентов и введение новых корректирующих коэффициентов, учитывающих горно-геологические условия конкретных месторождений, в формулу (1) есть корректный, методологический путь совершенствования нормативных методических документов.
Анализ методов расчета и формы потери устойчивости пород в реальных горно-геологических условиях и их несоответствие положениям СНиП отмечены в работе М.С. Плешко и С.А. Масленникова [5], где предлагается ввести трехстадийное проектирование вертикальных стволов, что позволит учитывать широкие горно-геологические условия месторождений.
Положения основных этапов, предлагаемых этими авторами, заключаются в следующем [5].
1-и этап. По данным геологической разведки месторождения, оцениваются горно-геологические условия подземной разработки, принимаются основные решения по проведению и креплению горных выработок. Оценке подлежат возможности применения современных технологических и технических решений на данном месторождении. Выбирают рациональные схемы проведения и крепления выработки.
2-и этап. В ходе строительства выполняется детальное изучение горногеологических условий породного массива. Проводятся дополнительные исследования по геомеха-нической оценке устойчивости породного массива вокруг выработки. На основании исследований производят дополнительную корректировку проектных решений.
3-й этап. На стадии эксплуатации выработки путем организации систематического мониторинга состояния крепи и вмещающих горных пород производят оценку влияния различных негативных факторов, которые не были учтены и рассчитаны на первых стадиях проектирования. Этот этап заканчивается с прекращением эксплуатации выработки. В ходе этапа разрабатываются дополнительные мероприятия по защите крепи выработки и обеспечению устойчивости породного обнажения вокруг выработки.
Нормативное обеспечение второго и третьего этапов проектирования должно разрабатываться на основе единой научно-методической базы, создающей условия для согласованных проектных процедур каждого периода, увязывающие их между собой.
Методологию проектирования [5] можно и целесообразно распространить (адаптировать) и для геокриологи-ческихусловий месторождений Севера. Предпосылки есть: результаты многолетних исследований по развитию горного дела на Севере позволяют корректно оценивать характер протекания термомеханических процессов в породном массиве в разных температурных состояниях; современное состояние уровня и новизны технических и технологических решений позволяют оптимизировать параметры крепления выработки в соответствии с прогнозными величинами геомеханических процессов в породном массиве.
Эксплуатация горных выработок в условиях Севера показывает, что обеспечение устойчивости горных пород наиболее благоприятно при сохранении породного массива вокруг выработки в многолетнемерзлом естественном состоянии. В этом состоянии отдельные куски горной породы и агрегаты минералов сцементированы льдом в порах и трещинах, что обеспечивает монолитность и высокую прочность породного массива. Кроме того, лед как компонент сложной системы, каким является многолетнемерзлый породный массив, способствует выравниванию неравномерных нагрузок со стороны минерального скелета горных пород и создает условия монотонного формирования напряженного состояния в породном массиве вокруг вертикального ствола. Поэтому развитие геомеханических процессов в многолетнемерзлом массиве горных пород вокруг выработки протекает в области механического влияния выработки, связанной с ее проведением в массиве. Другие горно-технические факторы, особенно геокриологические условия, несущественно влияют на характер протекания геомеханических процессов.
При изменении естественного температурного режима многолетнемерзлого породного массива под воздействием положительного теплового режима выработки интенсивно развиваются геомеханические процессы в при-контурной области массива, особенно в зоне протаивания вокруг выработки. При оттаивании льда нарушается связность, ослабевает сцепление отдельных кусков, блоков мерзлых пород, увеличивается пористость и трещиноватость горных пород и вследствие этого уменьшаются прочност-
ные и деформационные свойства в приконтурном слое породного массива. Под влиянием изменяющейся геоме-ханической обстановки (из-за колебаний температурного состояния горных пород) вокруг выработки происходят процессы, вызывающие нагрузку со стороны оттаявшего слоя пород на крепь вертикального ствола. Потеря цементирующих свойств льда в оттаявшем слое пород приводит к появлению нагрузок минерального скелета горных пород одного куска на другой, что вызывает неравномерность распределения напряжений и деформаций по периметру вертикального ствола. Знание термомеханических процессов, происходящих в многолетнемерзлом породном массиве, позволяет при проектировании крепи вертикальных стволов корректно оценивать параметры и конструкцию крепи в разных геокриологических условиях и тепловом режиме в выработке.
Расчет параметров крепи вертикальных стволов рудников, проектируемых в многолетнемерзлом породном массиве, рекомендуется выполнять на основе следующих методических положений:
1. Расчет теплового режима рудника или системы выработок, учитывающий параметры вентиляции рудника и включающий прогноз температуры воздуха и породного массива. На основе расчета температурного режима породного массива выполняется прогноз динамики протаи-вания мерзлых пород вокруг вертикального ствола на весь срок эксплуатации выработки.
2. Выбор расчетной схемы термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола, обоснование и выбор исходных физико-механических свойств горных пород и проектируемой крепи вертикального ствола. На основе анализа горно-геологических, геокриологических условий месторождения и результатов температурного прогноза многолетнемерзлого породного массива устанавливается расчетная схема термомеханического взаимодействия крепи вертикального ствола с окружающими горными порода -ми. Например, для условий кимберлитовых месторождений [6] наиболее характерны три расчетные модели термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола: упругая, упруговязкая и жесткопластическая. Выбор той или иной модели обусловлен типом горных пород и характером их деформирования, пересекаемых вертикальным стволом: для четвертичных отложений лучше соответствует жесткопластическая модель; для осадочных, коренных пород - упругая; для пород, склонных к проявлениям реологических процессов, - упруговязкая модель термомеханического взаимодействия.
В ходе анализа термомеханического взаимодействия породного массива и крепи вертикального ствола устанавливаются расчетные нагрузки на крепь выработки и определяются силы взаимодействия конструкции крепи ствола с окружающим массивом горных пород. Далее выполняются проверка несущей способности проектируемой кре-
пи вертикального ствола по термомеханическим условиям взаимодействия и выбор параметров крепи на период эксплуатации выработки с необходимой и достаточной несущей способностью.
Общий порядок выбора и расчета крепи вертикального ствола слагается из следующих операций, проводимых дифференцированно по участкам с одинаковыми термомеханическими условиями эксплуатации:
- на основе анализа инженерно-геологических и геокриологических данных месторождения проводится оценка термомеханического состояния массива горных пород;
- по теплофизическим характеристикам мерзлых и талых горных пород и параметрам теплового режима в вертикальном стволе осуществляется прогноз динамики про-таивания мерзлых пород вокруг выработки на весь период его эксплуатации;
- по результатам анализа термомеханического взаимодействия протаивающего многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола проводится прогнозный расчет нагрузок на крепь и параметры взаимодействия;
- выполняется прогноз возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на крепь вертикального ствола с учетом динамики изменения горно-геологических и геокриологических условий месторождения в процессе подземной разработки и их техногенного воздействия на породный массив вокруг вертикального ствола и проводится расчет крепи выработки в этих условиях. В особо ответственных случаях дополнительно выполняются специальный прочностной расчет крепи и проверка устойчивости формы крепи.
Таким образом, предлагается расширять методологию нормативного проектирования, принимая за основу базу нормативных документов, путем разработки функциональных коэффициентов и введения их в методические рекомендации, учитывающие особенности горно-геологических условий, не вошедших в нормативные документы. Это позволит не выходить за рамки СНиП и в то же время учитывать в методах проектирования степень влияния сложных горно-геологических условий.
Литература
1. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1982. 31 с.
2. Иудин М.М. О трещиноватости массива горных пород // Горный информ.-аналит. бюллетень. Отдельный выпуск Якутия-2. М.: Мир горной книги, 2007. № ОВ6. С. 279-283.
3. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглеп-рома СССР. М.: Стройиздат, 1983. 272 с.
4. Логинов А.К. Современные технологические и технические решения отработки угольных пластов. М.: МГГУ, 2006. 389 с.
5. ПлешкоМ.С., Масленников С.А. Прогрессивные подходы к проектированию глубоких вертикальных стволов // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». М.: МГГУ, 2006. С. 409-415.
6. ИудинМ.М., ПетровЕ.Е. Взаимодействие многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 2000. 148 с.
М.М. Iudin
Problems of projecting of timbering for mining in Northern mines
The author discussed and suggested ways of improvement of normative estimation of timbering parameters for mining in frozen rocks that would allow considering geo-mechanical processes in the rock massif at different stages of projecting.
