CC BY
32
© И.Ф. Матвеев, 2004
УДК 622.81:622.272 И. Ф. Матвеев
ВЛИЯНИЕ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ НА СОСТОЯНИЕ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ТАШТАГОЛЬСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Горные выработки орты, штреки, квершлаги, камеры являются объектами, где в реальных условиях наблюдаются последствия динамических проявлений горного давления, характер, формы, параметры которых позволяют классифицировать само динамическое событие. Особенностью проявлений горного давления на Таштагольском месторождении является связь наибольшего числа событий с разрушительными последствиями в горных выработках с горно-тектони-ческими и, гораздо меньшее, с собственно горными ударами, микроударами, другими видами проявлений горного давления в динамической форме. Другая особенность заключается в регистрации разрушительных последствий после динамических событий главным образом в уже закрепленных постоянной крепью или находящихся в стадии монтажа установок ВДПУ-4ТМ (ВДПМ-6) и крепления постоянной крепью ортах и штреках на откаточных горизонтах.
Все подготовительные выработки на Таштагольском месторождении- орта, штреки, квершлаги, начиная с горизонта (-70) м до горизонта (-350) м, крепятся железобетонной крепью с вертикальными стенами и циркульным сводом с толщиной крепи 250 мм. Забутовка лесоматериалом или кусками горной массы выполняется в своде выработки и реже за бетонными стенами. Обычно железобетонная крепь стен имеет непосредственный контакт с горными породами контура выработки.
Механизм горных ударов в действующих ортах и полевых штреках такой же, как и в выработках, находящихся в стадии проходки, за исключением того, что динамические события происходят не в забоях, а на любом из участков по длине закрепленной выработки.
В незакрепленной выработке горный удар происходит после формирования зоны необра-
тимых деформаций у контура при сравнительно небольшом ее развитии. Установка крепи сдерживает развитие зоны необратимых деформаций и тем самым препятствует росту смещений. Опасной по горным ударам или безопасной является не отдельно взятая крепь, или горные породы в закрепном пространстве, а в целом вся система крепь - деформируемая необратимо порода.
Основным звеном в системе крепь - порода является крепь, поэтому опасность горных ударов в закрепленных выработках зависит от прочности крепи и качества ее исполнения. Если крепь достаточно прочна, то удара быть не может [1]. Если крепь ломается, то мгновенно создается ситуация с фиксированной зоной необратимых деформаций, которая не способствует состоянию равновесия. Происходит динамический скачок к новому состоянию равновесия в форме горного удара.
В условиях высоких статических напряжений в массиве пород с превышением значений их горизонтальных составляющих над вертикальной, при хорошем контакте между бетоном и породой в бортах выработки, величина статических нагрузок на крепь достигает предельных значений. Если при наложении динамических нагрузок на статические, результирующая нагрузка превышает предельные значения напряжений для материала крепи, то происходит разрушение крепи и, как следствие, горный удар.
Наиболее подвержены разрушениям в ходе динамических проявлений горного давления свод и почва. Обычно крепь свода не имеет контакта с породами, закрепное пространство закладывается лесоматериалом. Рост напряжений вокруг выработки нарушает статическое равновесие системы крепь-порода. В породном своде закрепного пространства увеличивается зона разрушений, рост размеров которой, в свою очередь, приводит к нарушению всей
равновесной системы вокруг выработки. Как следствие высокие горизонтальные напряжения воздействуют через прямой контакт породы с крепью на стены крепи, стремясь сместить их к центру выработки. В своде крепи возникают запредельные деформации, которые вызывают возникновение трещин, откольных явлений с искривлением и выдавливанием арматурных стержней, приданием им V - образной формы, а так же к разрыву свода с надвигом одной его части на другую. Как правило, крепь разрушается на участках протяженностью от 3 до 10 и более метров. В случае, если крепление свода выработки выдерживает нагрузки, разрушается почва с разрыхлением и взбросом почвенного слоя горной массы и пучением массива пород в сторону выработки.
К характерным последствиям горных ударов в выработках относятся нарушение контура бетонной и железобетонной крепи с выдвижением ее элементов в виде блоков с размерами от первых десятков сантиметров до нескольких метров внутрь выработки; обрушение фрагментов бетонной или железобетонной крепи и кусков горной массы в виде одиночных кусков или навала; трещины с раскрытием от миллиметров до сантиметров в бетонной или железобетонной крепи; отслоение от контура крепи пластин неправильной формы; деформация арматурной стали в виде петель, часто с разрывом профиля; выбросы горной массы; поднятие, или смещение профиля рельсовых путей; образование трещин в почве выработки, поднятие (пучение) почвы; смещение со своих мест машин и механизмов; обрушение и разрушение коммуникаций (трубопроводов, кабелей).
Срок службы горных выработок на руднике делится на три периода:
• с момента проходки до завершения крепежно-монтажных работ в ортах и до возведения постоянной железобетонной крепи в полевых штреках;
• период производства массовых взрывов и очистных работ;
• с момента, когда очистные работы перешли в соседний блок до начала подготовки нижележащего блока.
Периоды службы горных выработок определяют расположение выработки относительно фактического контура очистного пространства. На уровне откаточных горизонтов обычно за ортом, находящимся в стадии очистных работ, следует орт, где ведутся мон-
тажные по установке ВДПУ-4ТМ (ВДПМ-6) и крепежные работы. В следующем орту осуществляется проходка заходок под виброустановки ВДПУ-4ТМ. С другой стороны от действующего очистного орта располагается орт, где очистные работы уже прекращены, или находятся в стадии завершения. Крепление этих выработок, как правило, значительно нарушено.
Основные разрушительные последствия горных и горно-тектонических ударов наблюдаются главным образом в районах четырех ортов (относительно контура очистного пространства), при мощных горнотектонических ударах, в район удара попадает гораздо большее число выработок.
В течение второго периода своей эксплуатации выработки испытывают как воздействие динамических проявлений горного давления, так и массовых взрывов. Время воздействия массовых взрывов на орты определяется временем производства крепежно-монтажных работ в выработках (до 1 года) и периодом ведения очистных работ (до 1 года). Ежегодно на руднике производится 20^30 технологических массовых взрывов и 2^4 специальных. Таким образом в течение второго периода эксплуатации горные породы на контуре выработки и крепь подвергаются воздействию 40^50 массовых взрывов.
Полевые штреки эксплуатируются от 2 до 5 лет дольше ортов, следовательно, влияние на них массовых взрывов гораздо выше, чем на орты.
По характеру разрушений в выработках довольно сложно отделить разрушительные последствия в результате сейсмического действия зарядов массовых взрывов, от последствий динамических проявлений, произошедших сразу после массовых взрывов. Обычно на буровом горизонте орты в соседнем с взрываемым блоком наиболее сильно разрушаются в результате воздействия зарядов массовых взрывов, на откаточном - подвержены воздействию как сейсмического эффекта массовых взрывов, так и проявлению динамических событий. Особенно сильные разрушения в ортах наблюдаются при производстве взрывов по образованию горизонтов подсечки и разворотов. Характер нарушений в полевых штреках указывает на преобладающую роль в этом динамических проявлений горного давления.
При производстве массовых взрывов приток энергии из внешней системы в район разрушаемого материала осуществляется в ходе
распределении напряжений в массиве пород в результате образования взрывом значительных пустот и в виде волн напряжений от взрывов зарядов.
Сейсмическая энергия технологических и специальных массовых взрывов, по данным сейсмостанции «Таштагол» составляет 1Е + 04 -1Е + 09 Дж.
Согласно технической литературы [2, 3, 4] не более 8-12 % энергии взрыва расходуется на дробление массива пород, от 9 до 11 % - на образование упругой волны в массиве пород, остальная часть энергии - на сейсмические колебания массива, образование ударных воздушных волн и др. Если исходить из энергии массовых взрывов, то на образования упругой волны в массиве пород расходуется 1Е +03 - 1Е + 08 Дж энергии, что является довольно высоким показателем.
Процессы образования и распространения волн от действия подземных взрывов описаны в работах Покровского Г.И, Садовского М.А., Ханукаева А.Н., Мосинца В.Н., Мельника Н.В., Кучерявого Ф.И., Суханова А.Ф. и других.
Согласно теоретических положений Ханукаева А.Н., в ближайшей зоне взрыва на расстоянии до (10-15)Я0 от его центра (где Я0 - радиус заряда) распространяется ударная волна, имеющая крутой фронт и сверхзвуковую скорость, в средней зоне на расстоянии от (10-15)^ до (400-500)Я0 - волна напряжений, в дальней зоне на расстоянии более (400-500)Я0 -сейсмовзрывная или упругая волна [5, 6, 7]. В реальных условиях процесс образования и распространения сейсмовзрывных (упругих) волн приобретает случайный характер, а динамические характеристики волн являются случайными функциями времени и расстояний. При взаимодействии падающей упругой волны с преградами (трещинами, нарушениями, свободной поверхностью, контактами разномодульных пород и т.д.) возникающие вторичные волны выполняют работу по разрушению горных пород в районах преград.
Обрушение рудного массива на руднике производится взрывами зарядов ВВ в вертикальных (нисходящих и восходящих) и горизонтальных пучках параллельно - сближенных скважин, одиночных скважинах и редко - в камерных (минных) зарядах. Способ - короткозамедленный комбинированный с применением электродетонаторов ЭДЗН с детонирующим шнуром и СИНВ. Число интервалов замедлений для технологических и специальных мас-
совых взрывов составляет 8-16 (0- 750 м.с.). Общая величина заряда технологических взрывов доходит до 10-15 т ВВ, специальных - до 200-300 т. Максимальная величина заряда ВВ, приходящаяся на одно замедление, составляет 0.2-2 т ВВ для технологических взрывов , 20-80 т - специальных.
Основной диаметр взрывных скважин 105 мм. Количество скважин в пучке изменяется от 3 до 20^25 в зависимости от условий его работы в массиве пород.
Для установления размеров зон действия сейсмических волн взрывов, применительно к условиям месторождения, был определен диаметр эквивалентного цилиндрического заряда по формуле (1) [8]:
ац = 1 л/7 (1)
где (1ц - диаметр эквивалентного цилиндрического заряда; 1 - диаметр скважины в заряде; 7 - количество скважин в заряде.
Для условий горизонта подсечки диаметр эквивалентного заряда принят равным стандартному диаметру 105 мм. Для специальных массовых взрывов расчетный диаметр составил 0.5 м.
На основании установленных эквивалентных диаметров, зоны распределения волн напряжений в массиве пород имеют следующие размеры:
• для взрыва по образованию горизонта подсечки ближайшая зона 0,5-0,7 м, средняя - от 0,7 до 20-25 м, дальняя - более 25 м.
• для специальных массовых взрывов ближайшая зона - 2-3 м, средняя от 3 до 90^110 м, дальняя - более 110 м.
Согласно расчетам, волны напряжений от зарядов специальных массовых взрывов на участках до 90-110 мина участках до 20-25 м от зарядов технологических взрывов могут вызывать локальное разрушение в массиве пород при их встрече с открытой поверхностью, трещиной, нарушением. Данные расчеты подтверждаются в реальных условиях.
Сейсмический эффект взрыва определяется величиной заряда и условиями производства взрыва, из которых наибольшее влияние имеет глубина заложения заряда относительно обнаженной поверхности, или полупространства, физико-механические свойства горных пород, состояние массива горных пород
Короткозамедленное взрывание при использовании замедлений равных 25 мск и выше снижает действие взрыва до уровня соответст-
вующих масс зарядов, инициируемых одной ступенью замедления [8, 9, 10]. Таким образом, на крепь и борта выработок, трещины, геологические нарушения в массиве пород при специальных массовых взрывах на расстоянии до 90-100 м и до 20 -25 м при технологических взрывах, действуют пульсирующие динамические нагрузки, вызванные работой волн напряжений от короткозамедленных взрывов зарядов.
Установлено, что в малонапряженном и находящемся в состоянии покоя массиве пород сейсмического действия взрыва недостаточно для инициирования горных ударов. В массиве пород с уровнем напряжений близким к пределу их прочности сейсмическое воздействие взрыва может инициировать горные удары .
При большом числе взрывов крепь и массив пород, прилегающий к ней, испытывают неоднократно изменяющиеся нагрузки. После каждого взрыва в массиве пород возникают остаточные деформации, накопления которых приводит к увеличению зоны разрушенных пород на контуре «крепь - порода» и, соответственно, к увеличению статических нагрузок на крепь [10]. Одновременно остаточные деформации в самой крепи снижают ее несущую способность и повышают вероятность разрушения, а следовательно и горного удара.
В реальных условиях довольно сложно установить какой из факторов - процесс перераспределения напряжений в массиве пород в ходе изменения контура очистного пространства, или сейсмический эффект взрыва вызвали то, или иное динамическое событие в горных выработках в первые доли секунды и секунды после массовых взрывов. В последующие периоды времени все динамические события являются результатом перераспределения напряже-
ний в массиве пород.
В период подготовки специального массового взрыва по обрушению массива пород блока № 12 в этаже (-280) - (-210) м с 19.05 по 28.08.2002 года были проведены замеры деформации крепи в орту №12 гор. (-280) м после производства технологических массовых взрывов. Замеры проводились в западной, центральной и восточной частях орта. За период производства восьми технологических и одного специального взрыва с 18.05 по 27.07 было проведено десять замерных серий: после каждого взрыва и перед первым. Параллельно проводились описания нарушений в бетонной крепи, изменений в почве и кровле выработок.
Технологические взрывы по подготовке к обрушению блока № 12 привели к реализации геодинамики в виде динамических проявлений от 18 до 59 на каждый взрыв, в том числе от 9 до 15 с энергией 1Е + 03 -ЧЕ + 07 Дж. Нарушения крепи и пород массива имели место на значительных площадях двух горизонтов (-210) м и (-280) м.
После специального массового взрыва в течение 12 часов имели место 72 динамических проявления с энергией от 1Е +01 до 4,6Е +04 Дж и расположением гипоцентров событий в районе массового взрыва и прилегающих выработок.
В таблице представлены результаты наблюдений за деформациями крепи орта № 12 горизонта (-280) м.
Деформации крепи орта в период проведения технологических взрывов указывают на их разнонаправленность от взрыва к взрыву при общей тенденции к сжатию.
Суммарные деформации крепи в западной части орта после технологических взрывов составили в вертикальной плоскости (-35) мм
Величины деформаций крепи орта № 12 гор. (-280)м после технологических и специального массовых взрывов в блоке № 12 (-280)-(-210)м.
Направления за- Дата проведения взрыва (Т.В — технологический,
меров __________________________________СВ - специальный)__________________________________
19.05 26.05 2.06 9.06 16.06 23.06 30.06 7.07 28.08
Т.В. ТВ ТВ ТВ ТВ ТВ Т.В ТВ с.в
А, мм (к предыдущему замеру сжатие растяжение +)
Замерная станция в западной части орта
Вертикальное -9 -4 ±0 -3 -13 +1 -8 +1 -33
Горизонтальное -4 ±0 -22 0 -2 -4 -8 ±0 -4
Замерная станция в центральной части орта
Вертикальное -22 -9 -2 -2 ±0 +4 +4 ±0 -42
Горизонтальное -5 -4 +2
Замерная станция в восточной части орта
Вертикальное -2 ±0 ±0 +2 ±0 ±0 +4 -1 -6
| Горизонтальное -2 -2 -2 -2 -2 -2 +16 ±0 -20 |
(сжатие), в горизонтальной (- 40)мм (сжатие), после специального- (-33) мм и (- 4) мм, соответственно. Таким образом, общая вертикальная деформация составила (-68 мм), горизонтальная (-37) мм. В центральной части орта вертикальные деформации составили (-27) мм, горизонтальные по трем замерам (-7 мм) после технологических и (- 42) мм (вертикальные) после специального массового взрыва. Общая вертикальная деформация (-69) мм. Восточная часть орта более однородная по геологическому строению менее реагировала на массовые взрывы. После технологических взрывов суммарные деформации в восточной части составили (+3) в вертикальной и (+4) мм - в горизонтальной плоскостях, после специального- (-6) и (-20) мм, соответственно.
В результате динамических проявлений горного давления после взрывов в западной части орта, где состояние породного массива осложнено пересечением пологого нарушения и диагонального разлома, образовались трещины в бетоне и сколы в своде кровли. В цен-
1. Петухов ИМ., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. - М.: Недра, 1984. - 231 с.
2. Машуков В.И. Действие взрыва на окружающую среду и способы управления им. - М.: Недра, 1976. -248с.
3. Мец Ю.С., Салганик В.А., Подорванов А.З. и др. Управление энергией взрыва при разрушении горных пород. К.: Техника, 1971 - 140с.
4. Временная методика прогноза горных ударов вызванных возмущающим воздействием массовых взрывов. - Новосибирск: СО. ИГД АНСССР, 1991. - с. 44.
5. Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. - М.: Недра, 1974. - 224с.
6. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. - М.: Госгортехиздат, 1962. -200с.
тральной и восточной части нарушения крепи в виде трещин, сколов, так же имели место, но гораздо в меньших объемах. Следует отметить, что в целом крепь орта не подвергалась разрушению и горных ударов в орту не было.
Подобные значения деформаций крепи зарегистрированы и в других ортах шахты при производстве массовых взрывов.
Более сложная ситуация имела место в орту №10 гор.(-280) м после горного удара, вызванного специальным массовым взрывом по блоку № 13 в этаже (-280)^(-210) м. Деформация крепи на некоторых участках доходила до 500^800 мм в горизонтальной плоскости. Крепь разрушалась с локальными горными ударами.
Таким образом статические и динамические процессы в массиве пород, инициируемые массовыми взрывами, оказывают воздействие на бетонную и железобетонную крепь горных выработок, вызывая в ней деформационные процессы, способные привести к разрушению крепи и проявлению горных ударов.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Ханукаев А.Н. О закономерностях распределения волн напряжений в твердых горных породах при взрывании одиночных и групповых удлиненных зарядов // Проблемы разрушения горных пород взрывом (Материалы научного совета по физико-техническим проблемам разработки полезных ископаемых ОНЗ АН СССР). - М.: Недра, 1967. - с. 33-44.
8. Будько В.М., Закалинский С.К., Рубцов С.К. и др. Совершенствование скважинной отбойки. - М.: Недра, 1981. - 199с.
9. Герман Е.Н., Пергамент В.Х. Сравнительная оценка сейсмического действия короткозамедленных взрывов по данным прямых измерений и моделирования на ЭВМ // Сейсмика промышленных взрывов. Взрывное дело: Сб. № 85/42, НТГО, - М.: Недра, 1983. - с. 39-48.
10. Мирзаев ГГ., Протосеня А.Г., Огородников Ю.Н., Вихряев В.И. Крепь горных выработок глубоких рудников. - М.: Недра, 1984. - 252с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Матвеев Игорь Федорович - кандидат технических наук, Таштагольский рудник ООО «Кузнецкий ГОК».
© И.Ф. Матвеев, 2004
УДК 622.272 И. Ф. Матвеев
