Системный подход к прогнозу и профилактике динамических явлений в рудниках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

приведенной методике с учетом пропускной способности выработок и соотношения объемов различных типов горной массы, для транспортировки которых эта выработка предназначена.

Окончательное местоположение вскрывающей выработки устанавливается после прокладки реальной трассы внешних транспортных коммуникаций и с учетом физико-механических свойств массива пород, в

котором будет располагаться выработка (условие устойчивости).

Расчеты показывают, что в зависимости от положения вскрывающей выработки капитальные и эксплу-тационные затраты на транспортные услуги могут отличаться в два и более раз. Экономия от правильного выбора местоположения вскрывающей выработки может достигать значительной величины.

--------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 РжевскийВ.В. Открытые горные работы. 4.2. - М.: Недра, 1985, 549 с.

2 Спмкпн Б.А., Папичев В.И. Поэтапная оптимизация схем вскрытия мощных глубоких карьеров. Сб.научн.трудов МГИ. Развитие теории открытых горных работ. - М., 1991. с.46

3. Васильев М.В., Яковлев В.Л. Научные основы проектирования карьерного транспорта. - М.: Наука, 1972, 199 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------------

Ракишев Баян Ракишевич - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН РК, зав. кафедрой открытых горных работ Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева.

Жаркенов М.И. - доктор технических наук, профессор Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева.

Лункин И. В. - кандидат технических наук, доцент Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева

© А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев, 2003

УЛК 622.831

А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев

СИСТЕМНЫЙ ПОЛХОЛ К ПРОГНОЗУ И ПРОФИЛАКТИКЕ ЛИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В РУЛНИКАХ*

Одной из актуальных проблем современной горной науки является прогноз и профилактика техногенной сейсмичности при ведении горных работ в высоконапряженных массивах скальных пород. При этом, как правило, в первую очередь используют модели и методы классической сейсмологии. Однако в самой сейсмологии вопросы средне и краткосрочного прогноза землетрясений до настоящего времени остаются нерешенными и вряд ли могут быть решены в ближайшей перспективе. Поэтому нам представляется более плодотворным системный подход к решению проблемы техногенной сейсмичности.

Рудник с вмещающим его участком геологической

Исследования проведены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 0005064758

среды образуют сложную открытую природно-техническую систему (ПТС), эволюция которой осуществляется по известному алгоритму - чередованием стадий адаптации и бифуркаций [1]. При этом следует подчеркнуть, что речь в данном случае идет о геомеханической эволюции ПТС, где в результате энергетического взаимодействия геологической среды с горными работами (выработанные пространства, технологические взрывы) имеют место пространственно-временная локализация высоконапряженных критических участков геологической среды, разрядка которых может реализоваться в виде катастрофы по типу динамических явлений вплоть до горнотектонических ударов и техногенных землетрясений (ГТУ-ТЗ) [2]. Нелинейность и неоднородность геологической среды обусловливают принципиальную невозможность прогноза времени реализации этих событий с достаточной для практических целей точностью. Поэтому реальными задачами в проблеме прогноза и профилактики ГТУ-ТЗ являются определение пространственно-временных координат критических участков и разрядка их посредством организационно-технологических мероприятий [3].

К настоящему времени в ряде горнопромышленных районов горные работы достигли таких объе-

мов, которые образуют крупномасштабные ПТС, включающие в себя ряд взаимовлияющих открытых и подземных рудников с крупными объектами инфраструктуры. Типичным примером такой системы является ПТС «Хибины», в состав которой входят 4 горнорудных предприятия, включающих 3 подземных рудника и 4 карьера, две обогатительные фабрики, энергетические и транспортные объекты, которые находятся в сложном функциональном и экологическом взаимодействии между собой и окружающей природной средой (рис. 1).

При планировании мероприятий по прогнозу и профилактике критических состояний ПТС (техногенных катастроф) необходимо, прежде всего, определиться, что понимается под катастрофой и какие виды катастроф характерны при отработке месторождений в высоконапряженных массивах.

Применительно к задачам горного дела катастрофы могут рассматривается в трех основных аспектах (рис. 2):

1) катастрофа в физическом понимании как трещинообразование в массиве пород (характеризуется энергией сейсмособытия);

2) катастрофа в геомеханическом понимании, как вид проявлений горного давления в выработках (характеризуются категорией состояния выработки);

3) катастрофа в технологическом понимании, как технологические последствия проявлений горного давления в выработках (характеризуется степенью тяжести последствий).

Трещинообразование в массиве пород проявляется в виде сейсмических явлений различной интенсивности. В зависимости от расположения эпицентра относительно горной выработки и энергии сейсмического события (размер трещин) проявления горного давления в выработках можно разделить на две группы:

1) проявления горного давления, обусловленные только действующими в массиве пород статическими напряжениями;

2) проявления горного давления, обусловленные

ХАРАКТЕРИСТИКА КАТЕГОРИЙ СОСТОЯНИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.

совместным действием статических напряжений и сейсмическим воздействием на контур выработки волны от образовавшейся в глубине массива трещины или от массового взрыва.

В зависимости от величины статических напряжений и геологических особенностей массива пород динамические проявления горного давления подразделяются по механизму проявления и интенсивности на вывалы, шелушение, стреляние, заколообразова-ние пород и горные удары. Состояние выработок при этом разделяется на шесть категорий от А до Е (табл.). Объемы разрушений, размеры выработки и ее назначение, присутствие людей и наличие механизмов определяют степень тяжести последствий ГТУ-ТЗ для функционирования рудника.

При этом наибольшую опасность для рудника представляют ГТУ-ТЗ, следствием которых могут быть и разрушения выработок, представленные в таблице. Размеры выработок и ее технологическая значимость, наличие людей и механизмов (жределя-ют степень тяжести последствий ГТУ-ТЗ.

Накопленные к настоящему времени результаты многолетних отечественных и зарубежных исследований техногенной сейсмичности позволили установить ряд основополагающих закономерностей:

- пространственное распределение динамических явлений в рудниках определяется геологическим и тектоническим строением месторождения, действующими напряжениями в нетронутом массиве горных пород, геометрией очистных пространств (большая их часть локализуется вблизи границ активных фронтов очистных работ), а также на участках повышенных концентраций напряжений (в «энергонасыщенных» зонах), например, в зонах неоднородностей, в блоках-целиках, в подрабатываемых консолях висячего бока рудного тела и др.;

- большинство крупных динамических явлений в рудниках приурочено к мощным технологическим взрывам;

- процессы формирования очагов мощных динамических явлений отражаются в деформационных и

Характеристика

Катего-

рии

После отпала в призабойной зоне выработок

После длительно отстоя (более 2 -3 суток)

Отдельные отслоения в результате образования зоны нарушенных пород от взрыва. После оборки заколов, новых не образуется Вывалы по естественным и техногенным трещинам Слабое шелушение, постепенное заколообразование с затуханием через 4-6 часов после отпала.

Интенсивное шелушение, стреляние, заколообразование пород в течение 6-12 часов после отпала, эллипсовидная форма «стаканов» от взрывных скважин.

Интенсивное стреляние и активное динамическое заколообразование не затухающее несколько суток, эллипсовидная форма «стаканов» от взрывных скважин, образование «дорожек» выкола на стенках шпуров и скважин. Длительность процесса до 2-х и более суток.

Никаких разрушений нет

Вывалы по естественным трещинам Слабое шелушение, возможность периодического образования отдельных заколов (периодичность месяцы-годы)

Шелушение, периодическое заколообразование. (недели-месяцы).

Интенсивное шелушение и частое возобновление процесса стреляния и динамического заколообразования на отдельных участках, миграция очагов разрушения, увеличение длины «дорожек» в скважинах

А

Б

В

Д

Характер проявлений горного давления аналогичен проявлениям категории «Д», но в выработке инструментальными методами установлена категория «опасно» по горным ударам__________________

Е

Г

геофизических полях, некоторые параметры которых могут служить показателями критического состояния контролируемого участка массива пород.

Из этих закономерностей логически следуют основные методические положения прогноза опасности ГТУ-ТЗ. В первую очередь осуществляется региональный прогноз удароопасных зон на основе:

- анализ геологии и тектоники месторождения и прилегающего к нему района;

- аналитических оценок расположения и размеров высоконапряженных, «энергонасыщенных», участков, выполненных на основе геометрии и динамики горных работ по латерали и вертикали;

- экспериментальных оценок уровня напряженности (энергонасыщенности) опасных участков.

На основе регионального прогноза планируется общая стратегия отработки месторождения, которая должна обеспечить функционирование ПТС в режиме адаптации. Если же избежать опасных ситуаций не представляется возможным, используется более

детальная методика диагностики критических состояний участков геологической среды и выбора технических мероприятий для обеспечения безопасности горных работ (рис. З). Структура методики включает в себя ряд последовательных блоков: блок регио-

нального прогноза, блок детального моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС), блок инструментального контроля НДС, блок технических решений.

Задачей первых трех блоков является получение и анализ информации которая используется для определения категории состояния выработки или элементов системы разработки, а также принятия последующих технических решении. Одновременно с последовательным вариантом прохождения информации через первые три блока, предусматривается возможность выполнять подобные определения на выходе каждого блока, однако уровень достоверности оценок и надежности принимаемых решений в этом случае, естественно, ниже.

Рассмотрим последовательно содержание и функционирование каждого из блоков.

Блок регионального прогноза и анализа информации. На данном этапе выполняется логический анализ геологического строения и тектоники объекта с учетом которой разрабатывается инженерно-геологическая модель массива, включающая в себя группу месторождений или отдельное месторождение Выбор объекта моделирования определяется либо технической политикой развития сырьевой базы предприятия, либо текущими перспективными планами ввода в эксплуатацию новых горизонтов, очистных блоков и т.д. Разрабатывается математическая модель для определения закономерностей формирования поля напряжений в массиве горных пород, вмещающем месторождения полезного ископаемого. Выполняется сопоставление результатов расчетов с данными других (прямых и косвенных методов) оценки исходного напряженного состояния массива. Далее в этом же масштабе производится изучение закономерностей формирования поля напряжений в окрестности очистных пространств рудников. На основе анализа полученной информации, в случае несоответствия полученных результатов данным других источников, производится корректировка инженерно-геологической модели и расчеты повторяются.

На выходе этого блока в региональном плане выделяются наиболее напряженные участки массива пород,

и разрабатывается схема постановки натурных исследований для верификации и уточнения полученных данных.

Блок детального моделирования и анализа информации. На следующем этапе, моделируется изменение НДС массива при максимальных объемах выемки проектируемых к отработке запасов; определяется местоположение зон с повышенными значениями напряжений по отношению к исходному полю напряжений; рассчитываются минимально необходимые параметры новой расчетной области и соответствующие граничные условия. Производится моделирование изменения напряженного состояния участков массива при последовательной отработке очистных секций и определение объемов и типов конструктивных элементов системы разработки, оказывающихся в зонах концентрации напряжений. При выявлении контрастных по напряженному состоянию зон, по данным инструментальных исследований, которые не были учтены в детальной модели, осуществляется ее корректировка и проводятся новые расчеты.

На выходе блока создается детальная локальная модель напряженно-деформированного состояния исследуемого участка, и определяются требования к организации сети инструментального мониторинга.

Блок инструментального контроля. В соответствии с выводами предыдущего этапа, и с учетом данных визуального обследования опасного участка, оптимизируется комплекс инструментальных методов оценки состояния выработок или элементов системы разработки, в окрестности которых прогнозируется рост напряжений для последующего длительного мониторинга их состояния. Блок инструментального контроля предусматривает проверку эффективности мероприятий по приведению опасных выработок или элементов в безопасное состояние.

Блок технических решений. На основе информации, полученной при работе предыдущих блоков, определяются ожидаемые формы и интенсивность проявлений горного давления и, соответственно, категории состояния выработок. Затем, на следующем этапе необходимо определить «степень опасности» выработки и провести технико-экономическое сравнение вариантов технических решений по обеспечению устойчивости выработок. Блок технических решений состоит из сравнительно независимых друг от друга блоков: изменение порядка отбойки; специальные мероприятия

(контурное взрывание, изменение формы, применение разгрузочных щелей и т.д.); организационные мероприятия (отстой выработки, ограничение или запрет доступа в выработку и т.д.); выбор того или иного типа крепи. Независимость этих блоков подразумевает как отдельное их применение, так и в различных сочетаниях. При принятии решения об изменении порядка отработки должны быть проведены новые расчеты, предусмотренные в двух первых блоках и новое определение категории состояния и «степени опасности» выработок. При выборе какого-либо специального мероприятия, производится новое определение категории состояния и «степени опасности» выработок. Выбор организационного мероприятия приводит к пересмотру только «степени опасности» выработок.

В заключение следует отметить, что несмотря на активные поиски, ни в сейсмологии, ни в горной науке пока нет надежных методов прогноза мощных динамических явлений. Между тем достоверность прогноза таких явлений в рудниках, чреватых не только значительными материальными потерями, но и человеческими жертвами, должна быть близка к 100%-ной, что в ближайшей перспективе представляется практически недостижимой. Поэтому основные усилия в проблеме техногенной сейсмичности должны быть направлены на ее профилактику, а эффективная профилактика может быть обеспечена только на знании объективных законов эволюции ПТС и надежной диагностики их состояния. В связи с этим главной целью дальнейших исследований по этой проблеме должно быть изучение геомеханических условий эволюции геологической среды ПТС при горных работах в высоко напряженных массивах скальных пород. Основное внимание в ближайшем будущем должно быть обращено на решение следующих задач:

- обеспечение устойчивого инструментального мониторинга геофизической и геологической среды ПТС;

- развитие и разработка модельных представлений эволюции геологической среды ПТС на всех этапах ее функционирования;

- поиск эффективных критериев диагностики критических состояний ПТС и разработка соответствующих методик;

- разработка способов обеспечения эффективного (адаптивного) развития ПТС на всех этапах ее функционирования в экстремальных горно-геологических условиях.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

\. Моисеев Н.Н. алгоритмы развития. - М.: Наука, 1987, 304 с.

2. Мельников Н.Н, Козырев А.А, Савченко С.Н, Панин В.И, Мальцев

В.А. Прогноз и профилактика техногенных землетрясений с позиций нелинейной геодинамики. ФТПРПИ, 2001, №4, С.1-16.

3. Сейсмичность при горных ра ботах. Под редакцией Н.Н. Мельнико ва. Апатиты: КНЦ РАН, 2002,325 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------

Козырев Анатолий Александрович - доктор технических наук, профессор, зам. директора, Горный институт Кольского научного центра РАН.

Панин Виктор Иванович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН.

Мальцев Виктор Анатольевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН.