Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки богатых руд талнахского рудного узла 9
1.1 Описание проблемы устойчивости блочного массива при ведении горных работ на Октябрьском месторождении 9
1.2 Обзор публикаций, посвященных решению проблемы устойчивости блочного массива при ведении горных работ 16
1.3 Постановка задач исследования геодинамических процессов в блочном массиве при ведении горных работ 33
ГЛАВА 2 Прогнозирование напряженно-деформированного состояния и разрушение горных пород в зонах влияния тектонических нарушений 37
2.1 Анализ возможности применения современного программного обеспечения для оценки напряженно-деформированного и удароопасного состояния массива горных пород 37
2.2 Анализ напряженного состояния рудопородного массива «Большого Горста» 39
2.3 Анализ механического состояния блочного массива в условиях взаимного влияния горных работ и тектонических нарушений 44
2.3.1 Учет влияния мелко-амплитудных тектонических нарушений (МАТН) 46
2.3.2 Учет влияния крупно-амплитудных тектонических нарушений (КАТН) 55
2.3.3 Натурные исследования влияния разрывных нарушений на проявление горных ударов 59
ГЛАВА 3 Закономерности распределения напряжений в геодинамически опасных зонах 66
3.1 Ведение очистных работ в ненарушенной зоне 68
3.2 Ведение очистных работ в зонах влияния мелко-амплитудных тектонических нарушений 77
3.3 Ведение очистных работ в зонах влияния крупно-амплитудных тектонических нарушений 83
3.4 Исследование характера формирования зоны опорного давления впереди фронта очистных работ и одиночных выработок 99
ГЛАВА 4 Определение параметров прогнозно-профилак тических мероприятий по предотвращению горных и горно тектонических ударов 102
Заключение 114
Список литературы
- Обзор публикаций, посвященных решению проблемы устойчивости блочного массива при ведении горных работ
- Постановка задач исследования геодинамических процессов в блочном массиве при ведении горных работ
- Анализ механического состояния блочного массива в условиях взаимного влияния горных работ и тектонических нарушений
- Ведение очистных работ в зонах влияния крупно-амплитудных тектонических нарушений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых привела к существенному уменьшению участков промышленных запасов руд с благоприятными горно-геологическими условиями. Например, на рудниках ОАО «ГМК «Норильский Никель», разрабатывающих Октябрьское и Талнахское медно-никелевые месторождения в настоящее время отработано более 90 % сплошных (богатых) руд. Оставшиеся запасы богатых руд, составляющие около 3 млн. тонн медно-никелевой руды, главным образом, сконцентрированы на участках рудной залежи, осложненных тектоническими нарушениями, являющихся природными концентраторами напряжений.
При разработке Октябрьского и Талнахского месторождений основное влияние на формирование аномально-напряженных и уда-роопасных зон в рудной залежи и целиках оказывают нарушения 1-го и 2-го типов по классификации ВНИМИ. Нарушения 1-го типа характеризуются тем, что непосредственно к плоскости с обеих сторон примыкает зона повышенных напряжений. По мере удаления от плоскости сместителя концентрация напряжений постепенно снижается до фонового уровня напряжений в массиве. Геологическими признаками данного типа нарушений являются плотные крепкие породы в обоих крыльях геологического нарушения. Шов нарушения – сухой, узкий, защемленный до 5 см. Зона дробления отсутствует. Геологические нарушения 2-го типа отличаются наличием зоны разгрузки непосредственно у дизъюнктива. Следом за зоной разгрузки в обоих крыльях располагаются переходные зоны, уровень напряжений, в пределах которых постепенно повышается. Геологическими признаками нарушений данного типа являются: в зоне разгрузки – развитая зона дробления. Зона дробления представлена дезинтегрированными несвязанными обломками пород или обломками, скрепленными мягким пластичным заполнителем.
Проблемам оценки напряженно-деформированного и ударо-опасного состояния рудной залежи с учетом влияния тектонических нарушений и предлагаемым путям их решений посвящены работы: И.Т. Айтманова, Е.Р. Артюшкова, П.В. Егорова, В.А. Еременко,
В.В. Зубкова, А.М. Линькова, О.В. Ковалева, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, В.С. Сидорова, Д.В. Сидорова, А.Н. Шабарова, М.А. Шадрина и др. В научных публикациях авторов нашли отражение научные основы, позволяющие решать задачи горного производства с учетом специфических для конкретного месторождения горно-геологических, горно-технических и горно-технологических факторов, в том числе параметров тектонических нарушений и мероприятий по борьбе с горными ударами.
Несмотря на значительное количество научных публикаций, посвященных прогнозированию напряженно-деформированного и удароопасного состояния рудной залежи, в том числе в зонах влияния тектонических нарушений, следует отметить, что для условий разработки удароопасных Октябрьского и Талнахского медно-никелевых месторождений данный вопрос изучен в недостаточной степени. Это связано с тем, что на рудниках Норильска ежегодно сейсмостанцией «Норильск-1» фиксируется более 1000 сейсмособы-тий различной степени интенсивности, большинство из которых приурочено к участкам, осложненным тектоническими нарушениями. Знание количественных параметров влияния последних является особенно важным при горно-геомеханическом обосновании технологии разработки хрупких руд месторождений, склонных к горным ударам. Поэтому тему диссертационной работы, посвященной прогнозированию удароопасности рудного массива при ведении горных работ в зонах влияния тектонических нарушений, следует считать актуальной.
Связь темы диссертации с научно-техническими про
граммами. Диссертационная работа выполнена в рамках реализа
ции задач научной школы «Геодинамическая безопасность» при На
учном центре геомеханики и проблем горного производства Нацио
нального минерально-сырьевого университета «Горный», а также
связана с федеральной целевой программой «Исследования и разра
ботки по приоритетным направлениям развития научно-
технического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по приоритет
ному направлению «Рациональное природопользование».
Цель работы. Прогнозирование удароопасности рудного массива при ведении горных работ в зонах влияния тектонических нарушений.
Идея работы. Прогнозирование удароопасности рудного массива, отрабатываемого в зонах влияния тектонических нарушений, необходимо осуществлять с дополнительным совокупным учетом физико-механических свойств пород шва нарушения, угла падения и размеров зон разрушения сместителя дизъюнктивна.
Основные задачи исследований:
1. Анализ проявления горного давления при разработке тек
тонически-нарушенных участков.
-
Оценка напряженно-деформированного и удароопасного состояния участков рудного массива при ведении горных работ в зоне влияния тектонических нарушений.
-
Исследование закономерностей формирования напряженно-деформированного и удароопасного состояния участков рудного массива при ведении горных работ в зоне влияния тектонических нарушений.
-
Разработка рекомендаций по параметрам мероприятий по борьбе с горными ударами при отработке удароопасных участков рудного массива в зонах влияния тектонических нарушений.
Методы исследований. При работе над диссертацией использован комплексный метод исследований, включающий математическое моделирование напряженно-деформированного состояния блочного массива горных пород, аналитическую обработку полученных результатов исследований, сопоставление результатов математического моделирования с натурными исследованиями в массиве.
Научная новизна:
1. Получены закономерности изменения напряженно-
деформированного и удароопасного состояния на участке рудной залежи между очистными работами и тектоническими нарушениями 1-го и 2-го типов применительно к условиям разработки Талнахских руд.
-
Установлено, что интенсивность нарастания геодинамических процессов проявляется при подходе очистных работ к тектоническим нарушениям на расстояние 10 – 15 м.
-
Установлено, что в условиях разработки тектонически-нарушенного участка «Большой Горст» безопасный уровень напряжений в рудной залежи достигается при расстоянии между разгрузочными скважинами 0,3 – 0,7 м.
Основные защищаемые положения:
-
Нарастание напряженного состояния в рудной залежи при подходе фронта очистных работ к мелко-амплитудному тектоническому нарушению носит нелинейный характер, интенсивность нарастания которого зависит от типа нарушения.
-
Безопасное расстояние между фронтом очистных работ и плоскостью сместителя крупно-амплитудного нарушения необходимо определять с учетом величины притока сейсмической энергии от разрушения пород шва нарушения.
-
При скважинной разгрузке удароопасных участков рудного массива в зонах влияния тектонических нарушений расстояния между разгрузочными скважинами необходимо уменьшать в 1,5 – 2 раза по сравнению с нормативными.
Практическая значимость исследований:
-
Определены безопасные расстояния при подходе фронта очистных работ к тектоническим нарушениям 1-го и 2-го типов.
-
Разработаны рекомендации по приведению массива горных пород в неудароопасное состояние путем бурения разгрузочных скважин большого диаметра.
Достоверность и обоснованность научных положений,
выводов и рекомендаций обеспечивается применением современ
ных научных методов исследования и обработки полученных ре
зультатов, значительным объемом проанализированной горнотехни
ческой литературы по вопросу оценки напряженно-
деформированного и удароопасного состояния массива горных по
род, использованием современного сертифицированного программ
ного обеспечения и вычислительной техники для обработки экспе
риментальных и теоретических исследований, корректностью при
меняемого математического аппарата.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ежегодной международной научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (г. Краков, Польша, 2013 г.), международных форум-конкурсах молодых учёных «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012 – 2014 гг.), Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), на научно-технических советах НЦГ и ПГП Национального минерально-сырьевого университета «Горный»
Личный вклад автора. Сформулированы цель, идея и основные задачи исследования. Проведён анализ существующих методов оценки напряженного и удароопасного состояния массива горных пород, возможности применения современного программного обеспечения для оценки напряженно-деформированного и ударо-опасного состояния массива горных пород, механического состояния блочного массива в условиях взаимного влияния горных работ и тектонических нарушений. Определены параметры бурения разгрузочных скважин, обеспечивающих безопасное ведение горных работ на участках, осложненных тектоническими нарушениями.
Публикации. Основные результаты исследований представлены в 2 опубликованных работах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объём работы. Диссертация в количестве 125 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, представленного 91 источником, включает 39 рисунков и 6 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных результатов, а также сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета за ценные замечания и советы.
Обзор публикаций, посвященных решению проблемы устойчивости блочного массива при ведении горных работ
Талнахский рудный узел заключает в себе два крупных месторождения медно-никелевых руд: Талнахское и Октябрьское. Первое охватывает зону Но-рильско-Хараелахского разлома и его восточное крыло. Октябрьское месторождение расположено к западу от Норильско-Хараелахского разлома. Оба этих месторождения вмещают около 90% запасов сульфидных медно-никелевых руд Норильского района. Рудные поля Талнахского и Октябрьского месторождений расположены на сочленении двух крупных блоков земной коры: Восточно - Сибирского плато и Западно - Сибирской низменности.
Залежи полиметаллических руд Октябрьского рудного узла расположены на глубинах, достигающих 2500 м, в сложных горно-геологических условиях. Преимущественно имеющие пологое залегание, мощные или весьма мощные рудные залежи характеризуются интенсивной неравномерной раздробленностью и тектоническими нарушениями. Залежи представлены тремя совместно залегающими промышленными типами руд – сплошные (наиболее богатые), вкрапленные или прожилково-вкрапленные, расположенные в нижней части интрузии, «медистые».
Богатые руды (сплошные, массивные) образуют пологопадающие залежи мощностью до 50 метров [46] и располагаются по нижнему контакту интрузии (реже в ее приподошвенной части) или в подстилающих породах в непосредственной близости от интрузии. По преобладающему минералу сплошные руды делятся на пирротиновые, халькопиритовые (включая талнахитые и моихукитовые), кубанитовые и борнитовые (с халькозином). Представляют собой минеральные образования с массивной текстурой, состоят более чем на 70% из сульфидов и содержат около половины всех учтенных запасов металлов. [48]. Между ними существуют переходные разности. Сплошные руды склонны к самовозгоранию.
Вкрапленные и прожилково-вкрапленные руды являются наиболее распространенным и характерным для района промышленным типом руд. Их мощность достигает 90 метров. Между вкрапленными рудами в породах интрузии и нижележащими сплошными или «медистыми» часто расположен безрудный «прослой» мощностью 4-6 метров.
«Медистые» руды залегают как под сплошными рудами, так и над ними в виде сложных очертаний, обрамляют залежи богатых руд. Мощность их крайне изменчивая, местами достигает 40 метров. Контакты «медистых» руд неровные, прочные, однако, на границе со сплошными рудами встречается хлоритовая оторочка. Наиболее широко «медистые» руды представлены в полях рудников «Октябрьский» и «Комсомольский».
Форма залежей Талнахского рудоносного интрузива сравнительно простая, пологая, выдержанной мощности, осложнена сбросами, взбросами различной амплитуды, а также послойным расщеплением на флангах. В связи с этим, залежи имеют ступенчато-блоковое строение, сопровождающиеся развитием зон повышенной трещиноватости.
Все породы и руды, слагающие поле рудника Октябрьский, в той или иной мере газоносны, а высокомедистые разности богатых руд склонны к быстрому окислению с выделением тепла. Следует учитывать и температурный фактор – на глубинах 1000 м и ниже породы имеют температуру 30С и выше [36].
Главными структурными элементами Талнахского района является глубинный Норильско-Хараелахский разлом с оперяющими сбросами, а также участок «Большой Горст», раздробленный тектоническими нарушениями различных порядков. Контактная зона блоков земной коры осложнена крупно-амплитудными нарушениями разбивающими массив на более мелкие структурные блоки, которые включают рудные тела. Следует отметить, что разломы земной коры отражаются и в характере нарушенности шахтных полей, которые разбиты тектоникой на группы, повторяющей тектонические разломы. Участки месторождения ос 11 ложнены сериями тектонических нарушений субпараллельных региональному Норильско-Хараелахскому разлому. Кроме того, рудная залежь имеет блоковое строение вследствие сбросовых и сбросово-сдвиговых деформаций, осложнена мелко-амплитудными нарушениями. Тектонические блоки ограничены нарушениями четырех порядков в различных сочетаниях. Однако наибольшее распространение получили следующие нарушения: сонаправленные сбросы, разнонаправленные сбросы (блок приподнят, опущен), сонаправленный сброс и взброс, разнонаправленный взброс и сброс. Средние значения амплитуды тектонических нарушений колеблются в пределах 5-15 м в северной части постепенно увеличиваясь до 25 м в южной. Направление ведения горных работ совпадает с преобладающим простиранием тектонических нарушений. В плане тектонические нарушения картируются в виде тектонически-нарушенных зон с шириной до нескольких метров. Характер трещиноватости, как указывается в работе, [22] зависит от вида тектонического нарушения (сброс, сдвиг, надвиг), от их сочетаний и амплитуды.
Поперечный разрез крупно-амплитудных тектонических нарушений может быть представлен как тектоническим швом с зиянием между плоскостями смещений, так и швом с серией оперяющих разнонаправленных гладких трещин. Заполнителем шва преимущественно являются хлоритизированные обломки вмещающих пород и руд, сцементированных тонкорастертым материалом. Устойчивость тектонического шва значительно изменяется в пределах месторождения и существенно зависит от вида и количества заполнителя в зоне нарушения. В сплошных рудах тектоническая зона выражена слабее и увеличивается на контакте сплошной руды с вмещающими породами кровли и почвы. Швы крупно-амплитудных тектонических нарушений, расположенных в сплошных рудах зачастую представлены гладкими трещинами с зеркалом скольжения без заполнителя. В случае заполнения шва тектонического нарушения ослабляющими минералами его ширина составляет порядка 5см. Тектонические зоны Октябрьского месторождения зачастую невыдержанны по мощности, а ширина варьируется в пределах от нескольких сантиметров до нескольких метров.
Постановка задач исследования геодинамических процессов в блочном массиве при ведении горных работ
В целом напряженно-деформированное состояние рудопородного массива отражает реакцию массива на сдвижение земной поверхности, ведение очистных работ и горных мер по разгрузке рудного массива. В физическом плане сформировавшееся в панелях напряженно-деформированное состояние рудопородного массива является следствием рассеивания потенциальной упругой энергии, вызывающей рост энтропии (растрескивание массива горных пород). Причем в наиболее интенсивной форме это прослеживается в породах, залегающих в почве рудной залежи и деформирующихся в режиме стесненных деформаций. Блоковая структура «Большого Горста» находится в условиях устойчивого равновесия, однако, при достигнутых пролетах отработки появляются сейсмособытия со значительной условной энергией непосредственно в тектонически-нарушенных зонах. На основании вышесказанного можно заключить о необходимости анализа механического состояния блочного массива в условиях взаимного влияния горных работ и тектонических нарушений с целью определения безопасных условий для эффективной эксплуатации участков склонных и опасных по горным ударам.
Поле напряжений горного массива неоднородно и зависит от многочисленных факторов, локальность и протяженность которых определяется литологией, блоковостью, трещиноватостью, обводненностью. Существенное влияние на формирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород оказывают тектонические нарушения, распространяющиеся иногда на значительные расстояния. Следует отметить, что уровень напряженности существенно зависит от параметров тектонических нарушений. В процессе перемещений на контактах соседних блоков возникает неоднородное поле напряжений, которое приводит к постепенному их дроблению и образованию новых блоков меньшего размера.
Кроме тектонических нарушений на уровень напряженности и характер распределения напряжений геологических блоков существенное влияние оказывают такие горно-геологические и горнотехнические факторы как: физико-механические свойства руд и вмещающих пород, элементы и параметры залегания, размеры структурных блоков, а также их форма.
Для условий Талнахского рудного узла, уровень напряжений и характер распределения в тектоническом блоке, ограниченном с двух сторон разрывными нарушениями есть функция вида [21]: a = F(Z,a,m,B,aaic,E,C), (2.3.1) где x, y,z – уровень напряжения, МПа; Z – истинная амплитуда разрыва на контакте блоков, м; – угол падения сместителя разрыва, град; m – мощность зоны дробления разрыва; B – ширина тектонического блока между разрывами; сж – показатель механической прочности пород; E – показатель деформационных свойств горных пород; C – форма тектонического блока. Район Талнахского рудного узла, как указывалось ранее, имеет блоковое строение. Тектонические блоки ограничиваются нарушениями, которые по морфологии шва, согласно классификации ВНИМИ, можно разделить на четыре вида: 1. Сглаженная плоскость, по которой крылья нарушения плотно сомкнуты; 2. Зона дробления, заполненная сцементированными продуктами катаклаза; 3. Зона дробления, заполненная рыхлыми продуктами катаклаза; 4. Серия параллельных сближенных плоскостей с небольшими амплитудами смещения, в сумме достигающими значительных размеров Как отмечалось выше, наиболее распространены тектонически нарушения четырех порядков в различных сочетаниях, таких как: сонаправленные сбросы, разнонаправленные сбросы (блок поднят, опущен), сонаправленные сброс и взброс, разнонаправленные взброс и сброс [46].
В связи с тем, что наиболее распространенными являются тектонические нарушения 1-го и 2-го типов, оценку влияния тектонических нарушений на распределение напряжений в зонах опорного давления массива горных пород следует осуществлять для данных типов. Как указывается в работе, [56] сместители тектонических нарушений 1-го типа характеризуются сглаженной плоскостью. В крыльях у тектонического шва формируются максимальные напряжения, являющиеся опасными, и характеризующиеся появлением видимых признаков динамического проявления горного давления, которые постепенно снижаются по мере удаления от него. Тектонические нарушения 2-го типа характеризуются раскрытыми швами и наличием зоны дробления, заполненной рыхлыми продуктами ка 46 таклаза. Видимые признаки проявления горного давления в динамической форме (интенсивное заколообразование, шелушение пород, стреляние пород) отсутствуют. Вместе с тем, не исключается выявление повышенной категории удароопас-ности при ведении горных работ при подходе к ним [69].
Стоит отметить, что подход к численной оценке влияния мелкоамплитудных и крупно-амплитудных тектонических нарушений существенно отличается. Мелко-амплитудные тектонические нарушения характеризуются неразвитой плоскостью сместителя и моделируются в зависимости от типа повышенной (1-й тип) или пониженной (2-й тип) жесткости. Оценка влияния крупноамплитудных тектонических нарушений, характеризующихся развитой плоскостью тектонического нарушения) численными методами проводится в несколько этапов и включает в себя ряд численных процедур с применением которых проводится оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород, а также прогноз зон разрушения горных пород, подсчет площади подвижек и выделившейся в их результате энергии, после чего определяется величина приращения дополнительных напряжений в рудной залежи.
Поскольку механизм протекания геодинамических процессов вблизи тектонических нарушений существенно зависит от амплитуды дизъюнктивов, то проведение исследований по оценке влияния нарушений на напряженное состояние рудного массива необходимо проводить раздельно для мелко-амплитудных и крупно-амплитудных нарушений.
Для установления влияния перечисленных факторов на напряженное состояние структурных блоков были проведены аналитические расчеты на ЭВМ, которые впоследствии сопоставлялись с натурными исследованиями и лабораторными испытаниями.
Анализ механического состояния блочного массива в условиях взаимного влияния горных работ и тектонических нарушений
Для оценки нарастания геодинамических процессов были проведены численные эксперименты с использованием программного комплекса «PRESS 3D URAL» по расчетным схемам, представленным на рисунке 3.2.1.
Основная задача проведения численного эксперимента – оценить степень влияния размера выработанного пространства, а также расстояния от него до зоны мелко-амплитудных тектонических нарушений на напряженное и удароопасное состояние изучаемых объектов.
Численные эксперименты проводились с использованием следующих общих исходных данных: глубина ведения горных работ H варьировалась в пределах от 1000,0 м до 1500,0 м, модуль упругости рудной залежи принимался равным Eр = 5,3104 МПа, модуль упругости вмещающих пород Eр = 8,2104 МПа. При численных расчетах зона мелко-амплитудных тектонических нарушений задавалась: для 1-го типа повышенными модулями упругости EТ.Н. = 5,3105 МПа, для 2-го типа пониженными модулями упругости МПа EТ.Н. = (1/20Eр ) 103 = 2650 (согласно классификации ВНИМИ). Следует отметить, что для расчетов принимались крайние значения упругих характеристик в нарушениях I-го и II-го типов, т.е. влияние нарушений на распределение напряжений в зоне, прилегающей к плоскости нарушения будет несколько ниже. Размер выработанного пространства принимался равным 150,0м. В главе 2 после численной оценки нормальных к рудной залежи напряжений осуществлялось построение эпюры опорного давления с учетом размера зоны предельно-напряженного состояния в краевой части рудной залежи для корректного определения нормальных напряжений. Для этого применялись аналитические выражения для определения геомеханических параметров теории опорного давления рассмотренные в работах [26, 61]. План
Результаты численного эксперимента по оценке нормальных к рудной залежи напряжений при подвигании очистного пространства на тектонические нарушения 1-го и 2-го типа приведены в сводной таблице 3.2.1.
Следует отметить, что наличие в пределах исследуемых участков рудного массива тектонических нарушений обоих типов как указывалось в главе 2 приводит к неравномерному волнообразному распределению напряжений. Наиболее четко эта закономерность прослеживается при достаточно малом расстоянии до нарушенной зоны или при значительных размерах выработанного пространства. Степень влияния размера выработанного пространства на нормальные напряжения, действующие на кромке рудной залежи исследовалась для рудной залежи, нарушенной мелко-амплитудным тектоническим нарушением 1-го и 2-го типа поочередно. При расчетах расстояния от зоны ведения горных работ до мелко-амплитудных тектонических нарушений принимались согласно схеме, представленной на рисунке 3.2.1 равными 50,0 м, 30,0 м и 10,0 м. Результаты численного эксперимента, представлены на рисунке 3.2.2.
Увеличение размера выработанного пространства «а» в массиве, нарушенном тектоническими нарушениями обоих типов ведет к нелинейному увеличению нормальных к рудной залежи напряжений max , действующий в краевой части массива при любом расстоянии до зоны мелко-амплитудных тектонических нарушений. Так, при подходе фронта очистных работ на расстояние 50,0 м до нарушенной зоны увеличение размеров выработанного пространства от 10,0 м до 150,0 м привело к росту нормальных напряжений на 83%. В тоже время при сокращении расстояния между зоной мелко-амплитудных тектонических нарушений и зоной ведения горных работ до 10,0 м увеличение нормальных напряжений max , действующих на кромке рудной залежи составило порядка 100% для 1-го типа нарушений и 115% для 2-го.
Кроме того, результаты представленных на рисунке 3.2.2 графиков позволяют сделать вывод о том, что влияние типа тектонического нарушения на величину нормальных напряжений, действующих на кромке рудной залежи начинается при подходе фронта очистных работ к нарушенной зоне на расстояние 30,0 м (рисунок 3.2.2 б). Увеличение этого показателя ведет к отсутствию влияния типа тектонического нарушения на напряженное состояния краевой части массива.
Анализируя график, представленный на рисунке 3.2.2 a можно сделать вывод о том, что при относительно малых расстояниях от горных работ до зоны мелко-амплитудных тектонических нарушений тип нарушения существенно влияет на величину нормальных напряжений max , действующих на кромке рудной залежи. Представленная на графике зависимость показывает, что возникновение удароопасной ситуации в массиве, нарушенном тектоническим нарушением 1-го типа возможно при размере выработанного пространства, составляющим более 150,0м. В тоже время, в массиве, нарушенном тектоническим нарушением 2-го типа удароопасная ситуация может возникнуть при размере выработанного пространства более 60,0 м. Для предотвращения возможности проявления горного давления в динамических формах следует проводить площадную скважинную разгрузку параметры которой следует определять исходя из напряжений, действующих в массиве. На рисунке 3.2.3 исследуется влияние размера выработанного пространства на величину средних напряжений в целике, ограниченном мелко-амплитудным тектоническим нарушением с одной стороны и зоной ведения горных работ с другой. Исследования проводились для тектонических нарушений I-го и II-го при различной ширине целика.
Анализируя результаты исследований, представленных на рисунке 3.2.3 можно сделать вывод о том, что средние напряжения в целике нелинейно возрастают по мере увеличения размера выработанного пространства, что становится особенно заметно при малых расстояниях от зоны ведения горных работ до зоны мелко-амплитудных тектонических нарушений. Так увеличение средних нормальных к рудной залежи напряжений, действующих в целике, ограниченном тектоническим нарушением I-го типа при расстоянии до него равном 10 м составило 90%. В тоже время с увеличением этого расстояния до 50,0 м рост средних напряжений в целике составил 58%. Рост средних напряжений в целике, ограниченном тектоническим нарушением II-го типа составил: 130 % и 60 % соответственно.
Результаты расчетов показывают, что наличие нарушения II-го типа приводит к более значительному росту напряжений в массиве, чем нарушения I-го типа. Различия в темпах прироста средних напряжений наблюдаются при подходе горных работ на расстояние 30 метров до зоны мелко-амплитудных тектонических нарушений.
Ведение очистных работ в зонах влияния крупно-амплитудных тектонических нарушений
Сопостовительный анализ полученных результатов с данными действующих нормативных документов [84] показывает, что для обеспечения безопасности ведения горных работ в зонах влияния тектонических нарушений нормативные значения параметров скважинной разгрузки необходимо уменьшать в 1,5-2 раза. Кроме того следует отметить, что при сокращение расстояния между нарушенной зоной I-го типа и фронтом горных работ до 10,0 метров напряжения, действующие на кромке рудной залежи снижаются до «относительно» безопасных значений. (рисунок 4.5 а). Снижение напряжений, действующих на кромке рудной залежи вполне закономерно, ввиду значительного пригружения тектонически-нарушенной зоны I-го типа.
В случае ведения горных работ на тектонические нарушения II-го типа средние напряжения в образованном целике постепенно возрастают. Удароопасная ситуация возникает при значительной величине пролета очистного пространства (более 120,0 м) при подходе к тектоническому нарушению на расстояние, равное 30,0 м (рисунок 4.3 а). Сокращение расстояния между нарушением II-го типа и фронтом горных работ до 10,0 приводит к возникновению удароопасной ситуации при пролете очистного пространства 50,0 м (рисунок 4.2 а). Кроме того, напряжения, действующие на кромке рудной залежи возрастают по мере приближения фронта горных работ к тектонически-нарушенной зоне. При расстоянии от зоны ведения горных работ до тектонического нарушения равном 50,0 метров для обеспечения безопасности ведения горных работ требуется бурение разгрузочных скважин с условной толщиной щели равной 1,3 см. По мере сокращения образованного горными работами и тектоническим нарушением II-го типа целика до 10,0 м напряжения на кромке рудной залежи возрастают, в связи с чем требуется проводить бурение разгрузочных скважин с условной толщиной разгрузочной щели равной 2см (рисунок 4.5 а). Стоит отметить, что сокращение расстояния между фронтом горных работ и тектоническим нарушением II-го типа практически не повлияло на распределение напряжений в зоне тектонического нарушения. Величина средних напряжений, действующих в тектоническом нарушении II-го типа возросла лишь на 5%. В тоже время, сокращение расстояния между фронтом горных работ и тектоническим нарушением I-го типа привело к увеличению средних напряжений на 35%.
На рисунке 4.7 представлено наспределение полных напряжений, действующих в тектонически нарушенной зоне при подходе к ней фронта очистных работ. Анализируя графики, можно сделать вывод о том, что тектонические нарушения 1-го типа являются наиболее опасными с точки зрения ведения горных работ в зонах их влияния. Полные напряжения, действующие на кромке нарушенной зоны могут достигать 90,0 МПа. В тоже время, средние значения напряжений, действующих в зоне тектоничесих нарушений 1-го типа составляют 67,0 МПа.
Ведение горных работ на тектоническое нарушение 2-го типа выявило постепенное возрастание средних напряжений, действующих в нарушенной зоне на 30,0% при сокращении образованного между фронтом очистных работ и тектоническим нарушением целика с 50,0 до 10,0 м. Максимальные значения на кромке нарушенного участка достигли значений 47,5 МПа, что практически исключает вероятность возникновения геодинамических событий.
Таким образом, на основе вышесказанного можно сделать вывод о том, что наиболее опасными с геодинамической точки зрения являются тектонические нарушения 1-го типа. Для снижения уровня напряженности необходимо применять площадную скважинную разгрузку, параметры которой должны быть обоснованы математическими расчетами. Определение параметров бурения разгрузочных скважин возможно с применением инженерной методики, учитывающей результаты численных расчетов с применением модифицированного метода граничных интегральных уравнений. Так, для обеспечения безопасного ведения горных работ, толщина разгрузочной щели равная 2см эквивалентна бурению разгрузочных скважин диаметром 165мм с шагом бурения 0,3 метра. Толщина разгрузочной щели равная 4 см эквивалентна бурению разгрузочных скважин диаметром 165 мм с шагом бурения 0,25 м.
Результаты промышленных испытаний схем бурения разгрузочных скважин диаметром от 42 до 105 мм, пробуренных в местах динамических форм проявления горного давления (интенсивное заколообразование, шелушение, стреляние) пре подробно рассматривались в работе [22]. Для их проведения в призабойной части массива параллельно очистному фронту было пробурено 12 разгрузочных скважин диаметров 105 мм на расстоянии 0,8 м друг от друга. Бурение скважин проводилось в течение 20 суток и осложнялось зажатием бурового инструмента, изменением формы поперечного сечения с круглой на эллипсоидальную.
Напряженное состояние пород в разгрузочных скважинах оценивалось косвенным методом по дискованию керна до бурения разгрузочных скважин и после него, а также по результатам измерений относительных деформаций, полученных с помощью скважинного деформометра 5Д-39.
По завершении работ по разгрузке массива отмечалось значительное сокращение (до 3,0 раз) числа дисков керна с одного метра скважины. Кроме того, следует отметить возрастание скорости деформаций сжатия (до 15 мм/сут) по скважинным деформометрам.
По истечении 40-50 суток скорость деформации снизилась до нуля. Динамических явлений при ведение горных работ на данном участке более не наблюдалось.
Согласно полученным результатам исследований в работе [22] указывается, что скважинную разгрузку удароопасных участков массива следует применять в зоне влияния очистных работ. При этом указываются рекомендованные параметры бурения разгрузочных шпуров и скважин: - максимальное расстояние между скважинами диаметром 56-59 мм при параллельной схеме бурения составляет 0,5 м. - при веерообразной схеме бурения расстояние между устьями скважин не должны превышать 0,5 м, а расположение их концов в массиве – не более 2,0 м. - расстояние между разгрузочными шпурами при разгрузке ленточных целиков составляет 0,2-0,3 метра.