Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянно растущая потребность в минеральном сырье ведет к увеличению объемов добычи полезных ископаемых ж различного рода подземного строительства. Это приводит к углублению горных работ до 800-1200 м и к соответственному ухудшению горно-геологжческих условий, что обусловливает существенные трудности при управлении горным давлением. Проблема управления горным давлением на больших глубинах сама по себе одна из самых актуальных и сложных задач современной горной науки. В тектонически напряженных массивах сложность этой задачи возрастает, поскольку принцитптальяо меняется понятие больших глубин, а опасность динамических проявлений горного давления-отмечается уже на глубине 200-300 и от дневной поверхности.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых тектонические напряжения установлена практически во всех районах, где имеют место современные горообразовательные процессы. Так по данным, экспериментальных определений в породах кристаллического и складчатого,фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60$ случаев, в осадочных породах в 15-20%. Причем это превышение может достигать до 5-Ю раз и именно горизонтальные напряжения определяют особенности проявлений горного давления и устойчивость конструктивных элементов систем разработки и комплексов различных выработок. Поэтому в тектонически напряженных массивах весьма актуален прогноз напряженного состояния еще насталий геологоразведочного процесса и обязательный учет его в проектных решениях. Закономерности напряженно-деформированного состояния (НДС) пород в нетронутом массиве и в элементах систем разработки существенно иные, чем в массивах с чисто гравитационным полем напряжений. Поэтому необходимо выделить факторы, определяющие распространенность тектонических напряжений в верхней части земной коры, обосновать модельные представления ранговости полей напряжений и соответствующего их учета при ведении горных работ.
Крупномасштабные горные работы в тектонически напряженных массивах существенно изменяют геодинамический режим в прилегающих районах, что в своп очередь вызывает такие грозные явления как*собственно горные удары в различных выработках ж целиках, гак и горно-тектонические удары и техногенные землетрясения за ' счет взаимного перемещения крупных блоков пород по соответствую-
щим тектоническим разломам. Вопросы формирования таких опасных катастрофических событий, условий высвобождения накопленной потенциальной энергии под воздействием, естественных и техногенных факторов находятся в начальной стадии исследований.
Рассматриваемая в диссертационной работе проблема управления динамическими проявлениями горного давления- на основе новых представлений о формировании напряженного состояния массивов скальных пород актуальна и представляет собой весьма важную в научном и народнохозяйственной значении задачу.
Исследования выполнены в рамках плановых тем Горного института Кольского научного центра РАН по заданиям QI.0I.H3 важнейшей научно-технической проблемы ГКНТ СССР 0.74 "Сейсмология ж сейсмостойкое-строительство" в I98I-I99Q гг., в рамках важнейших государственных научно-технических программ ft 16 "Безопасность населения а тароднохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных ж техногенных катастроф" и й 18 "Глобальные изменения природной среды и климата" (Постановление й 413 СМ СССР от 18.05.1985 г., РАН СССР от IQ.08.I98I г., ft ІОІОЗ-ІОГ7 и от З.І2.Г.990 г., ft I0I03-I0I5), а также программа ГЕИ СССР по "Созданию'и внедрению эффективной и безопасной технологии ведения горных работ, систем автоматизированного прогноза удароопас-ности при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений и'строительстве подземных сооружений на Г986-І990 гт." {Постановление ГКНТ СССР ft 552 от 29.10.1985 г., РАН СССР от 28.11. 1985 г., ft 10103-2027) под руководством и непосредственном участии автора.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей распределения тектонических напряжений в верхней части земной коры с учетом действия естественных и техногенных факторов, для создания научных основ геомеханического обоснования.безопасной отработки месторождений и проходки комплексов различных подземных выработок в высоконапряженных скальных массивах.
Инея работы состоит в использовании особых свойств тектонически яапрякеншх массивов для наиболее полного -соответствия применяемых конструкций горных выработок и элементов систем разработки геомеханическим и горнотехническим условиям различных мес-тороадений и подземных объектов.
разработать методические основы диагностики тектонических напряженна в верхней части зеиной коры на различных стадиях разведки и освоения месторождений;
исследовать факторы, определяйте закономерности распределения тектонических напряжений в блочных структурах различного ранга;
разработать прогностическую модель напряженного состояния скального массива с учетом действия естественных и техногенных факторов;
выявить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород и устойчивости одиночных горных выработок в тектонически напряженных» массивах;
установить особенности перераспределения тектонических напряжений при отработке месторождений системами с обрушением покрывающих пород и .их влияние на устойчивость конструктивных элементов;
выявить техногенное воздействие крупномасштабных горных работ на изменение геодинамического режима региона и динамические проявления горного давления;
разработать методические положения выбора способов управ-. ления горным давлением при сооружении подземных выработок и разработке рудных месторождений в тектонически напряженных массивах;
. - разработать и внедрить результаты исследований в виде за- . ключений, рекомендаций, технологических регламентов, методических указаний при отработке глубоких горизонтов рудников Кольского полуострова с обеспечением безопасности горных работ.
Для решения поставленных задач проводились комплексные инструментальные определения напряжений в нетронутом массиве, многолетние наблюдения за изменением напряженно-деформированного состояния вокруг выработок, очистных пространств при техногенном воздействии на массив, лабораторные испытания на образцах, математическое моделирование с применением численных методов, статистическая обработка и анализ натурных наблвдений, экспердаентаяь-' них данных в массиве и на образцах.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту:
иерархическая структура формирования тектонических напряжений в верхней части земной коры, обусловленная воздействием факторов различного масштабного .уровня (глобальных, региональных, локальных, точечных), на основе .которой обоснована прогностическая модель напряженного состояния блочного массива горных пород;
гипотеза формирования регионального поля тектонических напряжений в пределах крупных блоковых структур отдельных плит за счет раздвйга пород в рифтовых зонах и давления океанической части плиты на континентальную, либо континентальной плиты на континентальную, удовлетворительно согласующаяся с данными реконструкции полей напряжений по новейпейЗразломной тектонике, механизм очагов землетрясений, либо, непосредственных экспериментальных определений;
установленные закономерности распределения локальных и частных полей тектонических напряжений в зависимости от основных природных факторов: современных поднятий земной коры, глубинных разломов различного ранга, блоковой структуры массива, рельефа, кольцевых геологических .структур, упругих свойств пород, нарушен-ности массива трещинами;
методология диагностики напряженного состояния массивов скальных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса и освоения месторождений, основанная на принципах последовательных приближений, аналогий и выборочной детализации;
преимущественное влияние тектонических напряжений на механизм формирования напряженно-деформированного состояния в элементах систем разработки и различных подземных сооружениях, характер проявления и параметры горного давления;
повышенная устойчивость кровли выработок, камер, подрабо- -.тайной толщи пород висячего бока при действии в массиве гравитационно-тектонических напряжений и необходимость защиты конструктивных элементов систем разработки не только от вертикальных напряжений, но, в первую"очередь, от горизонтальных напряжений;
явление изменения геодинамического режима земной коры в районах крупномасштабной отработки смежных месторождений, связанное с выемкой и перемещением больших масс горных пород, выражающееся в повышенной интенсивности динамических проявлений горного давления на подземных рудниках, увеличении числа микроударов и собственно горных ударов, повышении сейсмичности рассматриваемого района, активизации в несколько раз скорости современных дви-
жений крупных участков земной коры вблизи отрабатываемых месторождений.
установлена иерархическая структура формирования тектонических напряжений в верхней частя земной коры, связанная с действием факторов различного масштабного уровня, йшзлены факторы, определяющие глобальные, региональные, локальные, частные и точечные поля напряжений;
предложена гипотеза формирования избыточных горизонтальных напряжений в пределах крупных блоковых структур отдельных плит, основанная на положениях тєктоеике плит, за счет раздвига пород
в рифтовых зонах к давления океанической части плиты на континентальную, либо континентальной плитн на континентальную;
установлены закономерности дафференпиапди тектонических полей напряжений в зависимости от блоковой структуры массива, влияния, рельефа поверхности, интенсивности современных поднятий участков земной коры, слоистости и кольцевых структур массива, свойств пород. Полученные данные явились основой для регионального прогноза удароопасности еще на стадии проектирования отработки месторождений и строительства комплексов подземных сооружений с учетом действия вышеуказанных факторов;
разработана методика прогноза напряженного состояния массивов на различных стадиях геологоразведочного процесса и освоения месторождений, в основу которой положены принципы последовательных приближений, аналогий и выборочной детализации. Прогноз осуществляется по данным, анализа геологического и тектонического строения и сейсмоактивности региона, свойств пород, материалов кернового бурения и состояния глубоких скважин, геофизических исследований в скважинах и с поверхности, а танке непосредственных измерений различными методами в горных выработках;
установлены закономерности напряженно-деформированного состояния пород вокруг одиночных выработок различного поперечного сечения, в том числе ж призабойяоЕ их части в объемной постановке, при одновременном действии в массиве гравитационных и тектонических напряжений с применением и без применения разгрузочных щелей в различных элементах выработок. Данн рекомендации по рациональным формам выработок, параметрам разгрузочных щелей, способам охраны- горных выработок в тектонически напряженных массивах;
- изучена динамика напряженного состояния пород вокруг очист
ных пространств в процессе отработки мощных апатитових месторож
дений системами этажного принудительного обрушения и подэтажной
отбойки с применением самоходной .техники и изменения напряжений
в межолоковнх целиках в окрестнорти двух сближенных очистных пространств в зависимости от их геометрических размеров. Обоснованы предельно возможные размеры этажных блоков-целиков при отработке месторождений встречными фронтами при различном соотношении в массиве действующих вертикальных и горизонтальных напряжений. Выявлены характерные зоны вблизи выработанных пространств на различных этапах развития очистных работ и пространственном их расположении, в пределах которых превалирующее влияние могут оказывать как вертикальные, так и горизонтальные напряжения, либо их комбинация. Разработан алгоритм расчета напряжений в любой из этих зон с целью оценки устойчивости подготовительных выработок в различные периода их службы;
выявлены закономерности распределения напряжений в подработанной покрывающей толще, роль тектонических напряненЕй в повышении ее устойчивости, а также особенности развития самообрушений покрывающей толщи при различных силовых факторах и параметрах подработки;
численными и аналитическими методами выполнена Оценка изменений ДПС массива при выемке больших горных масс в случае отработки сближенных месторождений. Выемка горной массы при действии в массиве тектонических напряжений и гористом рельефе поверхности сопровождается волнообразными знакопеременными деформациями массива, которые зависят от объемов и размещения выемок. Показано, что измеренные деформации на отдельных участках превышают
критические значения упругих деформаций, что свидетельствует о переходе массива в локальных областях в запредельное состояние и соответствующем изменении геодинамического режима рассматриваемого региона;
- определены условия формирования удароопасной ситуации в
конструктивных элементах систем разработки, а также формирования
горяо-тектовжческого удара путем вспарывания перемычки между
сближенными разломами в гравитационно-тектоническом поле напря
жений. Созданы научные основы разгрузки и выведения из удароопас-
ных условий горизонтов, отдельных участков- месторождений с по-
мощьв опережалщей отработки специальных разгрузочных зон, обра
зуемых ниже защищаемого участка или горизонта. Обоснованы локаль-
ше профилактические мероприятия с использованием камуфлетного взрывания шпуров, бурения разгрузочных щелей, выбора направления расположения выработок, рациональной формы их поперечного сечения, крепления выработок;
- - разработаны методические основы выбора и сооружения комплексного геодинамического полигона с соответствующим аппаратурным оснащением для контроля во времени техногенных деформаций массивов под влиянием горных работ;
- разработаны и доведены до практической реализации способы
управления горным" давлением, повышения устойчивости выработок,
конструктивных элементов систем разработки, поддержания горных
выработок с учетом пространственного распределения вертикальных
и горизонтальных напряжений и их изменений вблизи горных вырабо
ток и очистных пространств.
Достоверность ватчных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:-
многочисленными и длительными комплексными измерениями (в течение более 20 лет) в натурных условиях (свыше 200 станций) напряженно-деформированного состояния пород на рудниках Кольского полуострова и Таджикистана;.
анализом проявлений горного давления и научным обобщением результатов измерений напряжений по другим месторождениям и регионам в СССР и за рубежом;
сопоставимостью данных численного моделирования и аналитических расчетов с фактическими данными, полученными инструментальными методами и по данным визуальных наблюдений за сосгоянием вы- . работок и проявлениями горного давления в них; контрольными расчетами устойчивости выработок для всех глубоких горизонтов подземных рудников Хибинского и Ловозерского массивов на Кольском полуострове, Такобского месторождения и Дангаринского тоннеля в Таджикистане;
положительными результатами многочисленных внедрений (свыше 50) геомеханического обоснования технологических решений обработки более 200 млн.т руда на рудниках ГО "Апатит" и Ловозерского ГОКа на Кольском полуострове.
разработана- классификация массивов горных пород по уровню тектонических: напряжений и ожидаемым формам проявлений горного давления в них;
обоснован инженерный метод оценки устойчивости капитальных и подготовительных выработок при действии естественных и техногенных факторов при ведений горных работ в скальном массиве;
разработаны принципы выбора и регламентирующие требования для сооружения устойчивых конструкций выработок и рационального ведения горных работ в эдсоконапряженннх удароопасных породах Хибинского и Іовозерското массивов. Сформулированы ограничительные параметры отработки месторождений на новых участках и горизонтах в условиях удароопасности и тектонической напряженности пород;
обоснованы способы региональной и локальной разгрузки массива от высоких горизонтальных напряаении с применением разгрузочных щелей и заиитных зон в различной их модификации, позволякь щие обеспечить устойчивое состояние выработок в течение всего срока их слуябы при минимальных затратах на поддержание;
т установлены взаимосвязи размеров зон нарушенных пород вокруг капитальных и подготовительных выработок от основных горно-геологических и технологических факторов, позволяющие обосновать возможную нагрузку на крепь и рациональные ее параметры;
- разработаны новые способы оценки напряженного состояния и
удароопасности пород в массиве, защищенные авторскими свидетель
ствами, позволяющие также контролировать 'эффективность профилак
тических противоударных мероприятий.
таизАцж РАБОТЫ
Результаты исследований и специальных разработок доведены до практического использования и внедрены в практику проектирования и отработки рудных месторождений, строительства комплексов подземных соорузений.
По запросам горного производства автором или при его участии подготовлено более ІСО специальных заключений и рекомендаций по вопросам прогноза устойчивости выработок и конструктивных элементов систем разработки, безопасным способам ведения горных работ в высоконапряяенЕых скальных массивах, экономический эффект 10
от внедрения которых составил более 2.0 мзгя.руб. (в ценах 90 г.).
Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении 12 нормативно-методических документов как межотраслевого, так и регионального уровней.
Отдельные положения исследований автора нашли отражение в геомеханических обоснованиях к регламентам на отработку глубоких горизонтов Кировского, Юкспорского и Расвумчоррского рудников производственного объединения "Апатит", а также рудников "Каряа-сурт" и Тмбозеро" Ловозерского ГОКа и использованы проектными институтами Гипроруда и Гиредмет при составлении проектов отработки глубоких горизонтов.
Методические разработки автора по изучении и контролю напряженно-деформированного состояния массива нашли применение в геологоразведочных организациях МинГео СССР, в ряде учебных, научно-исследовательских институтов и горнорудных предприятий страны.
Основные положения диссертации докладывались и подучили одобрение: на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве (Новосибирск, 1971, 1975, 1977, 1979, 1982, 1984, 1986, 1990), на Всесоюзних конференциях.и семинарах по механике горных пород (Фрунзе, 1978; Тбилиси, 1985; Фрунзе, 1989; Апатиты, 1980; Апатиты, 1983; Апатиты, 1986), на Ш ж ІУ Международных конгрессах по инженерной геологии (Испания, 1976; Индия, 1982), на Международном симпозиуме по проблемам инженерной геологии в гидротехническом строительстве (Тбилиси, 1979), на ХХУШ Коллоквиуме по механике подземных сооружений (Австрия, 1979), яаїїлі Международных конгрессах по маркшейдерскому делу (Аахен, 1979; Ленинград, 1988), на Международном симпозиуме по полевым измерениям в геомехашпсе (Швейцария, 1983), на 71 и Ш Международных конференциях по численным методам в геомеханике (Австрия, 1988; Австралия, 1991), на международном симпозиуме "Напряженное состояние пород и измерение напряжений в породах" (Швеция, 1986), на УП Международном симпозиуме по современным движениям земной коры (Таллин, 1986), на Совещаниях по проблемам разработки рудных месторождений на больших глубинах (Москва, 1984; 1986), на научно-техническом семинаре по горной геофизике (Батуми, 1935), на Всесоюзных школах-семинарах "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Фрунзе, 1985; Иркутск, 1988), на Всесога-
II
них конференциях "Цроблемы механики подземных сооружений" (Ленинград, 1976; Гула, 1981), на Всесоюзных симпозиумах по изучению современных движений земной коры на геодинамических полигонах (Ленинакая, 1980; Дагомыс, 1988)-, яа У Всесоюзной конференции "Проблемы инженерной геологии в.связи с промЕШшенно-грааданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых" (Свердловск, 1984), на УН ^Всесоюзной конференции Вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (Москва, МІЙ, 1981), на ХЛУП Горно-металлургическом конгрессе Фрайбергской горной академии (Фрайберг, 1985), на 7ЇЇ Международном конгрессе по механике горных пород (Германия, Аахен, 1991), на Международном симпозиуме ло опенке и предотвращению явлений разрушения при ведении инженерных работ в скальных породах (Турция, 1993), на научных семинарах МГй, ЛИ, ЕЕШИ, Й53, ШКШа; экспонировались на ВДЕИ СССР. Автору за создание и внедрение методов управления горным давлением на основе экспериментальных данных о напряженном состоянии массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений в составе коллектива присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники за 1989 год.
ШШМЩШ
