Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния проблемы контроля удароопасности на рудниках дальневосточного региона 11
1.1 Анализ методов и средств оценки и контроля геомеханического состояния массива горных пород 11
1.2 Систематизация результатов изучения условий и характера динамических проявлений горного давления на рудниках Дальневосточного региона 18
1.3 Оценка особенностей геомеханического состояния и геодинамики массивов горных пород удароопасных месторождений Дальнего Востока 31
1.4 Цель и задачи исследований 49
2 Изучение закономерностей формирования природных и техногенных полей напряжений в удароопасных массивах горных пород 51
2.1 Изучение особенностей геодинамики и оценка параметров современных полей напряжений в районе удароопасных месторождений региона 51
2.2 Исследование закономерностей формирования природно-техногенного напряженного состояния разрабатываемых массивов горных пород 64
2.3 Оценка состояния и перспектив геоакустического метода контроля высоконапряженных зон в сложноструктурном массиве горных пород 72
3 Экспериментальные исследования геомеханических процессов в удароопасных массивах горных пород с использованием геоакустических методов 77
3.1 Изучение особенностей проявления акустической эмиссии в процессе разрушения горных пород 77
3.2 Обобщение результатов использования метода локального (на контуре горных выработок) геоакустического контроля удароопасности 86
3.3 Выявление общих закономерностей проявления сейсмоакустической активности удароопасных массивов горных пород 90
3.4 Изучение особенностей излучения и регистрации сигналов акустической эмиссии в разрабатываемом массиве горных пород 103
3.5 Оценка эффективности систем сейсмоакустического контроля 110
4 Разработка направлений развития и совершенствование средств геоакустического контроля динамических проявлений горного давления 116
4.1 Обоснование концепции многоканальной автоматизированной системы геомеханического мониторинга 116
4.2 Обоснование структурной и функциональных схем узлов и элементов геоакустического измерительно-вычислительного комплекса 121
4.3 Разработка алгоритмов и программного обеспечения 130
4.4 Разработка экспериментального образца цифровой автоматизированной системы контроля горного давления 136
5 Разработка научных основ сейсмоакустического контроля удароопасности массивов сложной тектонической структуры 143
5.1 Обоснование структуры и принципов организации системы геомеханического мониторинга 143
5.2 Разработка программно-методических средств обработки и анализа геоакустической информации в системах автоматизированного контроля динамических проявлений горного давления 148
5.3 Разработка научных основ оценки геомеханического состояния массива по результатам мониторинга акустически активных зон 159
6 Разработка и реализация принципов и приемов предотвращения опасных динамических проявлений горного давления 179
6.1 Анализ и обоснование методов снижения удароопасности массива горных пород 179
6.2 Реализация рекомендаций по совершенствованию комплекса методов предотвращения горных ударов на рудниках Дальнего Востока 190
Заключение 203
Список использованных источников 206
Приложение
- Систематизация результатов изучения условий и характера динамических проявлений горного давления на рудниках Дальневосточного региона
- Исследование закономерностей формирования природно-техногенного напряженного состояния разрабатываемых массивов горных пород
- Обобщение результатов использования метода локального (на контуре горных выработок) геоакустического контроля удароопасности
- Обоснование структурной и функциональных схем узлов и элементов геоакустического измерительно-вычислительного комплекса
Введение к работе
Проблема повышения безопасности и эффективности подземной разработки удароопасных рудных месторождений занимает важное место в развитии горнодобывающей промышленности многих стран и регионов. На территории Дальнего Востока России на ряде крупных и средних рудников производятся или планируются горные работы в подобных условиях. Неизбежное при подземных работах горное давление, особенно в условиях глубоких горизонтов, развитого фронта очистных работ, высокой тектонической напряженности массива пород и сложности его геологической структуры, проявляется на отдельных рудниках в динамической форме и приводит в ряде случаев к таким опасным последствиям как: внезапное разрушение участков разрабатываемого массива горных пород, горные и горно-тектонические удары.
Прогнозирование характера и масштаба горнодинамических явлений, представляющих собой угрозу жизни работающим и одну из причин снижения эффективности горного производства, до настоящего времени являются трудноразрешимой задачей из-за несовершенства применяемых методов и технических средств. Эффективность контроля и управления динамическими проявлениями горного давления может быть существенно повышена путем создания возможностей для оперативного выявления закономерностей формирования в разрабатываемом массиве горных пород потенциально удароопасных зон, а также для продолжительного непрерывного мониторинга происходящих геомеханических и геодинамических процессов.
Для повышения надежности и достоверности прогноза опасных проявлений горного давления необходимо применение эффективных методов и средств оценки и контроля геомеханического состоянии массива горных пород, в полной мере учитывающих особенности геодинамики и условий отработки месторождений в пределах конкретных рудных районов, подобных Дальневосточному региону, характеризующемуся специфичной геотектонической позицией.
Таким образом, разработка высокоинформативных научно-обоснованных методов и средств геомеханического контроля, основанных на изучении сопровождающих эти геомеханические и геодинамические процессы физических полей (в том числе - геоакустических), и обеспечивающих идентификацию удароопасных зон и последующее управление локализацией их негативного влияния в процессе горных работ, представляет собой актуальную проблему, имеющую важное научное и практическое значение.
Работа основана на результатах исследований, выполненных в 1986-2006 гг. при непосредственном участии и под руководством автора по плановым темам НИР Института горного дела ДВО РАН: «Разработка научных методов управления горным давлением на примере склонного к горным ударам Хинганского оловорудного месторождения» (№ ГР 01870031947), «Создание методов управления горным давлением и высокоэффективных технологий подземной разработки рудных месторождений»
(№ ГР 01910003371), «Разработка научных основ эффективной и безопасной технологии подземной добычи руд с использованием систем сейсмоакустического контроля геомеханического состояния массива горных пород» (№ ГР 01960003060), «Развитие научных основ и способов управления геомеханическим состоянием массива горных пород при создании эффективных геотехнологий подземной разработки рудных месторождений Дальнего Востока» (№ ГР 01.2.00108180), а также в рамках интеграционного проекта № 04-2-0-00-019 «Обоснование концептуальной модели формирования очагов сейсмичности при разработке полезных ископаемых подземным способом» и инновационного проекта № 1954-61-8 «Цифровая автоматизированная сейс-моакустическая система геомеханического мониторинга массива горных пород при подземном освоении недр».
Идея работы состоит в том, что повышение безопасности и эффективности отработки удароопасных сложноструктурных месторождений Дальневосточного региона достигается на основе выявления, идентификации и мониторинга потенциальных очагов опасных динамических проявлений горного давления посредством использования установленных закономерностей проявления геодинамической и сейсмоаку-стической активности массива горных пород.
Основные научные положения, защищаемые автором:
Специфичность геотектонических условий изучения геомеханического состояния массивов горных пород удароопасных рудных месторождений на территории юга Дальнего Востока и Забайкалья определяется длительным взаимодействием Евроазиатской и Тихоокеанской плит, сдвигово-магматическим режимом формирования структуры рудных полей, повышенной современной тектонической и сейсмической активностью территории и, таким образом, обусловливает возможность отнесения этих районов к особому Окраинно-Азиатскому модельному геодинамическому типу, отличающемуся уникальной геоструктурной позицией — областью сочленения Центрально-Азиатского и Тихоокеанского поясов с Сино-Индонезийской областью вулканической и сейсмической активности Новейшего времени.
Обоснование сейсмоакустического метода контроля геомеханического состояния разрабатываемого массива горных пород в условиях геодинамически активных районов Дальневосточного региона включает использование установленных особенностей взаимодействия природных и техногенных полей напряжений, изменяющих напряжённо-деформированное состояние массива, приводящих к существенному возрастанию неоднородности и уровня результирующих напряжений (в отдельных элементах тектонической структуры массива — в 1,5...1,8 раза; в целиках и краевых частях массива — в 2,2...3 раза), к трещинообразованию и сейсмоакустической активности, завершающейся формированием потенциально удароопасных зон.
Повышение эффективности контроля геомеханического состояния массива горных пород и надёжности прогнозирования опасных динамических проявлений горного давления обеспечивается применением разработанного геоакустического измерительно-вычислительного аппаратного комплекса, технические характеристики которого позволяют увеличить число и расширить диапазон измеряемых параметров акустической эмиссии, повысить степень оперативности и достоверности контроля, а информативные возможности - наиболее полно отражают процесс образования и эволюции очагов разрушения и характеризуются возможностью высокоточной локации источников акустической эмиссии с энергией от долей до десятков Джоулей с одновременным определением спектральных характеристик акустических сигналов.
Прогрессивное развитие метода геоакустического контроля удароопасности достигается за счет прогнозирования начала опасной стадии неуправляемого разрушения на основе модельных представлений о трехстадийном предразрушении с учетом удельной энергии необратимого деформирования в процессе хрупко-пластического разрушения, согласующихся с модельными представлениями о формах проявления акустической активности массива горных пород, что позволяет на основе экспериментальных данных измерения акустической эмиссии оперативно оценивать геомеханическое состояние массива горных пород.
Повышение безопасности и эффективности горных работ на рудниках Дальневосточного региона обеспечивается путем применения комплекса обоснованных и включенных в инструктивно-нормативные документы методов прогноза и технологических приемов предотвращения горных ударов.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических представлений о взаимосвязи геомеханического состояния с геодинамической и сейсмоакусти-ческой активностью массива горных пород и в создании научных основ геоакустического контроля удароопасности массива при разработке рудных месторождений в условиях тектонически активных районов, в частности:
установлен особый модельный геодинамический тип района разработки уда-роопасных рудных месторождений на территории юга Дальнего Востока и Забайкалья, характеризующийся высоким и весьма неравномерным напряженным состоянием участков массива горных пород, и выявлен характер регионального поля современных тектонических напряжений;
для условий рудников Дальневосточного региона оценено влияние горногеологических и горнотехнических факторов на характеристики динамических проявлений горного давления, из которых основными являются: тектонические нарушения, контакты горных пород, отличающихся упругими и прочностными свойствами; высокая изрезашюсть массива выработками, в т. ч. наличие сопряжений выработок и раз-
личного рода целиков; расположение и форма выработок; влияние выработанных пространств и др.;
установлены закономерности формирования природно-техногенного поля напряжений в зоне влияния очистной выемки в зависимости от ориентировки элементов тектонической структуры относительно главных напряжений, геометрии выработанного пространства и порядка отработки рудных тел, позволяющие определять потенциально удароопасные участки горного массива для последующего геомеханического мониторинга;
на основе экспериментальных данных о месторасположении и параметрах источников акустической эмиссии предложена модель и установлены закономерности изменения акустической активности массива горных пород, используемые совместно с разработанным интегральным показателем удароопасности в процессе геоакустического контроля и мониторинга для оценки и прогноза опасных динамических проявлений горного давления;
разработана и технически реализована концепция нового поколения многоканальной цифровой автоматизированной сейсмоакустической системы мониторинга геомеханического состояния массива горных пород, основанной на использовании микропроцессорных, информационных и компьютерных технологий и созданных структурных и функциональных схем аппаратуры, пакетов алгоритмов и прикладных программ;
обоснован метод повышения эффективности процесса идентификации и локации источников естественной акустической эмиссии в удароопасных массивах горных пород путем расширения числа регистрируемых параметров АЭ (включая дополнительно: спектральные характеристики; длительность, параметры фронта и форму сигналов) и использования установленных критериев селекции акустических сигналов;
разработаны научные основы развития и повышения эффективности методов и технических средств контроля и мониторинга удароопасности массива горных пород с использованием геоакустической информации, включающие принципы ее использования для принятия технологических решений в процессе управления геомеханическим состоянием массива.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
- корректной постановкой задач на основе современных фундаментальных
представлений о тектонических процессах в земной коре и механизме деформирова
ния блочного массива горных пород, методов механики горных пород;
длительными комплексными натурными исследованиями геомеханического состояния массива горных пород и динамических проявлений горного давления на различных рудниках Дальнего Востока;
представительным объемом экспериментальных данных о напряженном состоянии, физико-механических свойствах, тектонической нарушенное и проявлении акустической активности массивов горных пород;
хорошей сходимостью полученных результатов (теоретические данные о зонах концентрации напряжений подтверждаются в 80-90 % случаев измерениями напряжений и визуальной оценкой динамических проявлений горного давления);
положительными результатами внедрения результатов исследований на рудниках Дальневосточного региона.
Практическое значение работы состоит в том, что использование полученных результатов исследований обеспечило возможность:
обосновать структуру и принципы организации геоакустического мониторинга горного массива удароопасных месторождений в условиях активизации геомеханических процессов;
разработать технические требования к средствам контроля геомеханического состояния массива горных пород, завершившиеся созданием опытных образцов сейс-моакустической аппаратуры;
разработать методические подходы, повысившие информативность и надежность геоакустического контроля и мониторинга потенциально удароопасных зон в сложноструктурном тектонически нарушенном массиве горных пород;
повысить обоснованность и эффективность технических и технологических решений в процессе управления горным давлением при разработке удароопасных рудных месторождений Дальневосточного региона.
Реализация результатов работы.
Полученные научные результаты и разработанные на их основе рекомендации использованы:
при разработке и реализации проектов создания автоматизированных систем контроля горного давления на удароопасных рудниках Дальневосточного региона;
при составлении «Указаний по безопасному ведению горных работ» и «Инструкций по сейсмоакустическому контролю массива горных пород» для условий разработки удароопасных месторождений Хинганского, Николаевского, Антей;
при проектировании горных работ и обосновании состава и планов организационно-технических мероприятий по предотвращению опасных динамических проявлений горного давления на удароопасных рудниках Дальневосточного региона.
Личный вклад автора состоит:
в постановке задач, их решении и анализе полученных результатов;
в разработке математических моделей, в проведении численных и натурных экспериментов;
в выявлении закономерностей формирования природно-техногенных полей напряжений при отработке сложноструктурных удароопасных месторождений;
в разработке моделей геодинамической и акустической активности массива горных пород;
в разработке методов геоакустического контроля и мониторинга геомеханического состояния массива горных пород;
в обосновании и реализации рекомендаций по управлению динамическими проявлениями горного давления на рудниках.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и отдельные ее положения представлялись на научно-технических конференциях и совещаниях: IV и V Всесоюзных семинарах по геодинамическому районированию недр (г. Кемерово, 1990, 1992 гг.); II Всесоюзном семинаре «Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья» (г. Фрунзе, 1990 г.); Региональной научно-практической конференции «Проблемы научного обеспечения реализации заданий Долговременной государственной программы комплексного развития производительных сил ДВЭР, Бурятской АССР и Читинской области на период до 2000 г.» (г. Владивосток, 1990 г.); Всесоюзном совещании «Проблемы рационального освоения минеральных ресурсов» (г. Хабаровск, 1991 г.); Международных конференциях «Геомеханика в горном деле» (г. Екатеринбург, 1996, 2005 гг.); Научно-практическом семинаре «Добыча золота. Проблемы и перспективы» (г. Хабаровск, 1997 г.); II Международном рабочем совещании по геодинамическому районированию недр (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); Международной конференции «Горная геофизика» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.); Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения. (Мельниковские чтения)» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международной конференции, посвященной 40-летию ИФ и МГП HAH КР (г. Бишкек, 2000 г.); XI и XVI сессиях Российского акустического общества (г. Москва, 2001,2005 гг.); I, II и III Международных научных конференциях «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (г. Владивосток, 2001, 2002, 2004 гг.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (г. Якутск, 2005 г.) и международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного освоения минерального сырья Дальнего Востока» (г. Хабаровск, 2005 г.), а также докладывались и обсуждались на технических советах и комиссиях по горным ударам
ОАО «ГМК «Дальполиметалл», ОАО «Хинганское олово», ОАО «Приморский ГОК» и ОАО «ППГХО» в 1987-2006 гг., на Ученых советах ИГД ДВО РАН (1986-2006 гг.).
Автор считает своим долгом выразить благодарность д-ру техн. наук Г.А. Кур-сакину, д-ру техн. наук, профессору Ю.А. Мамаеву, д-ру геол.-минер. наук Б.Г. Сак-сину, д-ру физ.-мат. наук Ю.А. Болотину и другим коллегам из ИГД ДВО РАН за ценные советы и помощь при подготовке диссертационной работы, а также инженерно-техническим работникам и специалистам служб прогноза и предотвращения горных ударов ОАО «ГМК «Дальполиметалл», ОАО «Хинганское олово» и ОАО «ППГХО» за содействие в проведении экспериментальных исследований и внедрении полученных результатов и рекомендаций.
Систематизация результатов изучения условий и характера динамических проявлений горного давления на рудниках Дальневосточного региона
Добыча руд цветных и драгоценных металлов подземным способом занимает значительное место в горной промышленности Российского Дальнего Востока. Здесь действует ряд крупных и средних рудников, ведущих горные работы в разнообразных, как правило, — в сложных горногеологических условиях. Переход горных работ на все более глубокие горизонты и постоянно растущие объемы выработанных пространств во многом предопределили изменение геомеханических условий разработки месторождений, следствием которого явились ранее не регистрируемые динамические формы горного давления и внешние признаки удароопасности.
Проблема удароопасности на рудниках Дальнего Востока существует уже более четверти века. Первые динамические проявления горного давления были отмечены в 70-е годы прошлого столетия при строительстве самого глубокого на тот период Николаевского рудника ПО «Дальполиметалл». В 80-е годы с увеличением глубины горных работ опасные горнодинамические явления происходили на рудниках Хинганском и Южном, отрабатывающих, соответственно, Хинганское оловорудное и Южное полиметаллическое месторождения. В последующие годы рудные месторождения Хрустальненского, Солнечного и Приморского ГОКов, на которых имели место динамические явления или отмечались внешние признаки удароопасности, были отнесены к склонным к горным ударам.
В настоящее время на удароопасных рудниках Дальневосточного региона геомеханическая обстановка предопределяется либо динамическими проявлениями горного давления, либо отнесением глубоких горизонтов месторождений к опасным или склонным к горным ударам (таблица 1.1) [44]. На рудниках наблюдается весь спектр динамических форм горного давления вплоть до сильных, с тяжелыми последствиями, горных и горно-тектонических ударов; на некоторых — пока отмечены отдельные динамические проявления, но с углублением горных работ прогнозируется рост интенсивности и масштабов опасных горнодинамических явлений. Таким образом, проблема изучения удароопасного состояния массива горных пород и повышения эффективности контроля его геомеханического состояния, а также предотвращения опасных последствий горно-динамических явлений, является чрезвычайно актуальной.
В настоящее время на Дальнем Востоке проблема горных ударов стоит наиболее остро на рудниках ОАО «ГМК «Дальполиметалл» (месторождения Николаевское и Южное) и ОАО «Хинганское олово» (Хинганское месторождение), где при ведении горных работ зарегистрирован весь спектр динамических проявлений горного давления от стреляния пород до собственно горных и горно-тектонических ударов (см. табл. 1.1). Отдельные проявления горного давления в динамической форме или внешние признаки удароопасности имели место на рудниках Второй Советский (ОАО «ГМК «Дальполиметалл»), Восточный (ОАО «Приморский ГОК»), Перевальный (ООО «Востоколово»), на которых горные работы достигли глубин 400 м и более.
Совместно со специалистами служб прогноза и предотвращения горных ударов (ППГУ) предприятий нами выполнен детальный анализ всех случаев динамических проявлений горного давления за более чем 20-летний период отработки месторождений, результаты которого включены в диссертационное исследование. Наряду с этим использованы результаты геомеханических исследований, выполненных в предыдущие годы рядом научно-исследовательских организаций, в числе которых Институты горного дела Сибирского, Уральского и Дальневосточного отделений РАН, институты ВНИМИ, «Унипромедь» и другие.
Сведения об условиях и параметрах динамических проявлений горного давления систематизированы в специально разработанных электронных базах данных (БД), которые позволяют эффективно проводить выделение, анализ и оценку влияния различных групп факторов, определяющих удароопасность массива горных пород. Всего проанализировано более 700 случаев проявления горного давления в динамической форме (не считая случаев шелушения и интенсивного заколообразования пород), зарегистрированных на Николаевском, Южном и Хинганском месторождениях.
Выявлены особенности горно-геологических условий разработки опасных по горным ударам месторождений региона, которые предопределяют, как определенное сходство, так и некоторые различия в возникновении и динамике изменения проявлений горного давления.
На Николаевском руднике первые признаки динамических проявлений горного давления отмечены еще на стадии строительства при проходке стволов и разведоч-но-подготовительных выработок. Так, производство горно-капитальных и горноподготовительных работ на верхнем эксплуатационном горизонте -320 м в период 1977-1982 гг. систематически сопровождалось микроударами и стрелянием горных пород, происходящими, как правило, после взрывных работ в забое, бортах и на сопряжении выработок [95]. С началом очистной выемки динамические проявления горного давления стали регистрироваться также в зоне влияния опорного давления (в настоящее время около 25 % случаев). В последующем с увеличением глубины и масштабов отработки на обоих рудниках появились и стали получать все большее развитие толчки в глубине массива, некоторые из которых сопровождались выделением значительной сейсмической энергии. К настоящему времени доля толчков на Николаевском месторождении составила около 40 % от общего числа динамических проявлений горного давления. Как микроудары квалифицировался каждый четвертый случай проявления горного давления, который сопровождался разрушением крепи и выбросом до 1-8 MJ породы в горные выработки.
Исследование закономерностей формирования природно-техногенного напряженного состояния разрабатываемых массивов горных пород
Результаты геомеханических исследований на разрабатываемых в геодинами-чески активных районах Николаевском, Южном, Хинганском и других месторождениях свидетельствуют, что их склонность к горным ударам во многом связана с высоким уровнем действующих в массивах тектонических напряжений. Существенная неоднородность естественных полей напряжений, предопределяемая сложностью и особенностями тектонической структуры месторождений, может еще больше усиливаться при техногенном воздействии на породный массив в результате горных работ. В этой связи изучение закономерностей формирования результирующего поля напряжений имеет важное значение для обеспечения безопасного и эффективного освоения подобных удароопасных месторождений.
Особенности формирования техногенных полей напряжений в разрабатываемом горном массиве наиболее детально исследованы автором на примере Хинганско-го оловорудного месторождения. Оно сложено различными по составу и физико-механическим свойствам горными породами, среди которых наиболее прочными и жесткими являются вмещающие оруденение кварцевые порфиры (см. раздел 1.3). Отмечается наличие в массиве, особенно на нижних горизонтах месторождения, большого количества различно ориентированных контактов пород. Данное обстоятельство вместе с тектонической нарушенностью и блоковым строением предопределяет сложный характер деформирования массива горных пород и высокую степень неоднородности действующего в нем поля напряжений [118].
При отработке месторождения в качестве основной применяется система разработки подэтажными штреками в варианте с опережающей отработкой нижнего подэтажа с выпуском руды через дучки и ее скреперной доставкой. Кроме того, был испытан вариант системы разработки с нисходящим порядком отработки подэтажей с выпуском руды через погрузочные заезды.
Для изучения характера распределения напряжений в конструктивных элементах систем разработки применялся комплексный метод, включающий математическое моделирование НДС методом конечных элементов (МКЭ) и непосредственные шахтные измерения в подземных горных выработках.
С помощью математического моделирования МКЭ решалась задача по оценке изменения уровня напряжений по мере увеличения геометрических размеров очистной камеры в процессе ее формирования от отрезной щели до конечного контура камеры (пролет 40 м) при общей высоте камеры 55 м. Расчеты напряженно-деформированного состояния массива горных пород проводили при следующих граничных условиях: первые главные напряжения а і действуют в горизонтальной, а вторые главные напряжения сг2 — в вертикальной плоскости; j\ = 50 МПа, о = 20 МПа; модуль упругости пород 33000 МПа; коэффициент Пуассона 0,22; плотность 2,8 т/м3. Результаты расчетов представлялись в виде изолиний средних нормальных напряжений аср = (aj+cr /l и интенсивности касательных напряжений тинт = (at-a /l.
Изменение уровня напряжений в зоне влияния очистной камеры при увеличении ее пролета определяли в характерных точках, находящихся в следующих местах: в потолочине между вентиляционной выработкой и кровлей камеры (точка А); на уровне подэтажных выработок (точки В и D); между подэтажными выработками (точка С); в днище блока (точки Е и F), соответственно в надортовом целике и между скреперными выработками на уровне доставочного горизонта (рисунок 2.5).
Анализ полученных результатов показал (см. рисунок 2.5), что в борту камеры (точки В, С, D) протекают сходные процессы, а напряженное состояние характеризуется практически полным отсутствием сдвига (тинт « 0). При расширении камеры происходит постепенный переход напряжений от сжимающих к растягивающим. При ширине пролета камеры более 30 м выработки подэтажей попадают в зону растягивающих напряжений. Это, как правило, приводит к снижению устойчивости кровли выработок и повышению вероятности обрушения в результате воздействия на массив динамических нагрузок при ведении взрывных работ.
В потолочине (точка А) с увеличением размеров камеры снижаются значения средних напряжений аср на 30 % при высоком общем уровне сжимающих напряжений (70...100 МПа). Кроме того, при больших пролетах камеры напряженно-деформированное состояние в массиве приближается к одноосному (аср я тинт). Верикальные напряжения становятся чрезвычайно малыми (вплоть до нуля), а большие горизонтальные способствуют возникновению сдвига, что может приводить к значительным объемным деформациям и вероятности разрушения потолочины.
Характер распределения напряжений в гачках Е и F дает представление об особенностях формирования НДС в днище блока. Несмотря на то, что точки Е и F принадлежат одной области, характер распределения напряжений в них совершенно разный. Если в точке Е наблюдается рост напряжений тср и тиит при увеличении пролета камеры, то в точке F — незначительное снижение оср при возрастании тиш. Напряженное состояние в точке Е, также как и в точке А, приближается к одноосному в горизонтальной плоскости. Характер распределения напряжений в точке Е определяется влиянием очистной камеры, а в точке F — взаимовлиянием камеры и скреперных выработок.
Результаты математического моделирования удовлетворительно подтверждаются данными натурных измерений напряжений фотоупругими датчиками типа ФДО конструкции ИГД СО РАН. Напряжения измеряли вокруг выработок днища, потолочины и подэтажей очистных блоков 97 и 67, характеризующих применяемые на руднике варианты системы разработки [114].
Установлено, что с началом массовой отбойки руды в окружающем очистную камеру массиве возникают дополнительные сжимающие напряжения, наибольшие из которых в большинстве случаев ориентированы в сторону выработанного пространства. В изолированных целиках горизонта выпуска (отрезанных по периметру доста-вочными выработками — в варианте с погрузочными заездами) они ориентированы вертикально, а в районе скреперных ортов (в обоих вариантах) — субгоризонталыю. Увеличение напряжений в датчиках наблюдали на расстоянии до 35 м от контура очистных камер. По мере приближения границы очистного пространства и увеличения площади надработки происходил закономерный рост дополнительных напряжений, которые на расстоянии 6... 10 м достигли значений 9...12 МПа. Степень влияния выработанного пространства на НДС массива днища и бортов очистной камеры при различных системах разработки отражают регрессионные зависимости (значения коэффициентов корреляции Rxy лежат в пределах 0,71-0,85), полученные по результатам шахтных измерений напряжений в горных выработках (рисунок 2.6). Регрессионные зависимости имеют следующий вид
Обобщение результатов использования метода локального (на контуре горных выработок) геоакустического контроля удароопасности
Для локальной оценки удароопасности на рудниках Дальневосточного региона применяли в экспериментальном порядке несколько различных приборов и специальных методик, из них - известные вибросейсмический метод и метод естественной акустической эмиссии [72]. Наиболее представительные данные были получены автором с использованием последнего метода, который к тому же, в сравнении с вибросейсмическим методом, является значительно менее трудоемким и более оперативным.
В процессе измерения параметров естественной АЭ особое внимание уделяли контролю призабойной части выработок в процессе их проведения (как правило, измерения АЭ проводили через небольшой промежуток времени после окончания цикла буровзрывных работ). Для натурных исследований использовали двухканальный регистратор «АЭР-Комби», который в целом положительно зарекомендовал себя при выполнении комплекса лабораторных исследований. Акустический контакт датчика с массивом осуществляли как посредством прижимного устройства в шпуре (что в целом оказалось недостаточно эффективным), так и хорошо зарекомендовавшим себя способом прямого крепления через пластификатор датчика специальной конструкции на относительно ровном и ненарушенном участке обнажения. Прием сигналов АЭ вели в непрерывном режиме в течение 5-минутного интервала времени в частотном диапазоне 8...40 кГц.
В процессе измерений экспериментально определены пороги чувствительности и получены количественные значения их превышения Nj3 за интервал времени At = 60 с. Установлено, что в условиях удароопасных горизонтов Николаевского и Хин-ганского месторождений пороги чувствительности имеют значения: верхний (Аі) —15...17 дБ (соответствующий уровню "8" чувствительности канала АЭ прибора), нижний (А2) — 25...28 дБ (соответствующий положению "6" переключателя канала АЭ).
В таблице 3.1 приведены некоторые наиболее представительные данные, характеризующие среднюю интенсивность АЭ массива пород на экспериментальных участках. Показатель Ъ рассчитывался для случая, когда NA3 NA3 , где N АЭ = 20 имп/мин.
Анализ результатов шахтных измерений показал следующее. Интенсивность АЭ горного массива существенно разнится в зависимости от горно-технической и геомеханической ситуации. Имеющиеся данные дали возможность автору выделить три различающихся по степени акустической активности типа состояния массива, которые были названы "устойчивый", "релаксирующий" и "переходный". Устойчивый тип массива отличается слабой интенсивностью излучения акустических импульсов. Средняя интенсивность АЭ (NАЭ), как правило, не превышает 5 имп/мин. Такие значения NАЭ соответствуют фоновому уровню и присущи участкам массива, которые содержат давно пройденные выработки, находящиеся вне формирующейся зоны опорного давления от очистных работ и непопадающие в область влияния геодина-мически активных разломов и контактов разнопрочных горных пород.
Релаксирующий тип массива по сравнению с устойчивым типом характеризуется несколько более высокой интенсивностью АЭ, значения которой лежат в диапазоне 5...20 имп/мин. Чаще всего данная интенсивность АЭ наблюдается в призабой-ной части выработок сразу после взрывания в забое. Затем она постепенно снижается и достигает через 5...7 суток фонового уровня. В этот период отмечается слышимое потрескивание массива, иногда сопровождающееся отслаиванием с поверхности выработок кусочков породы. Такое поведение массива являет собой его естественную реакцию на процесс проведения напряженного состояния. Релаксация массива сопровождается образованием микротрещин в приконтурной зоне выработки, проявляющихся в виде акустической активности массива горных пород. Участки массива, имеющие NАэ = 5...20 имп/мин, соответствуют III категории удароопасности. Однако при определенных условиях они могут относиться и ко II категории удароопасности, на которую, в частности, может указывать незатухающий характер АЭ данной интенсивности.
Переходный тип массива отличает наиболее высокая интенсивность, со значениями, превышающими 20 имп/мин. Повышенный уровень АЭ свидетельствует о достаточно высокой скорости деформирования массива, рост которой может вызвать переход последнего в неустойчивое (удароопасное) состояние. Интенсивность АЭ с указанными параметрами, как правило, отмечается на участках массива с высокой степенью изрезанности его выработками (особенно в местах их сопряжения) и приуроченных к зонам естественной концентрации напряжений. На таких участках нередко наблюдаются динамические проявления горного давления в виде стреляния и динамического заколообразования пород.
С таким выводом согласуются результаты измерения АЭ в районе сопряжения восстающего № 101 с буровым ортом на гор. 20 м (см. табл. 3.1), показавшие высокую акустическую активность массива пород на участке сопряжения, где на момент снятия замеров были отмечены признаки удароопасности. Средние значения интен-сивности АЭ составили: NАЭ = 116,5 имп/мин и NA3= 69,2 имп/мин. Показатель амплитудного распределения b (рассчитанный по приведенной выше формуле) при этом составил 1,0, указывая тем самым на то, что в массиве происходит интенсивное накопление микро- и средней величины дефектов и, если скорость течения этого процесса превысит предельное значение, весьма велика вероятность неуправляемого разрушения краевой части массива в виде горного удара. На основании предложенных критериев краевая часть массива на сопряжении восстающего № 101 с подэтажным буровым ортом была отнесена к категории «Опасно». Выработки были на время исключены из эксплуатации, и эта мера оказалась достаточно эффективной, т.к. повторными замерами спустя 3 недели установлено ощутимое снижение интенсивности АЭ, значения которой в районе сопряжения не превышали 10 имп/мин.
Подтверждением объективности обоснованного автором значения критерия неустойчивого горного массива могут служить результаты шахтных измерений АЭ в месте горного удара 16.08.93 г. (см. табл. 3.1). Было установлено, что спустя 3 часа после динамического явления в районе очага сохранялась высокая акустическая активность. Интенсивность АЭ изменялась в широком диапазоне (А Э=6..Л06 имп/мин; А э =2...34 имп/мин) и составила в среднем 54,1 имп/мин и 15,2 имп/мин соответственно при верхнем и нижнем пороге чувствительности. Показатель амплитудного распределения Ь составил 2,39, что свидетельствует о преобладании малоамплитудных акустических событий, т.е. процесс трещинообразования идет в основном на микроуровне. Последующие измерения показали, что уже спустя сутки после горного удара массив полностью релаксировал, что и нашло отражение в значительном снижении интенсивности АЭ до 2...6 имп/мин.
Обоснование структурной и функциональных схем узлов и элементов геоакустического измерительно-вычислительного комплекса
В основу технической реализации предложенной концепции системы геомеханического мониторинга положен принцип минимизации схем аналоговой обработки и передачи АЭ-сигналов . Данный подход позволяет значительно повысить надежность системы и улучшить ее технические характеристики. Структурная схема цифровой сейсмоакустической системы геомеханического мониторинга представлена на рисунке 4.2. Одним из основных элементов системы являются цифровые («высокоинтеллектуальные») приемники акустических сигналов (далее — датчики), которые устанавливаются в определенных местах контролируемого горного массива. В цифровом приемнике (ЦП) аналоговые сигналы, которые формируются на выходе преобразователя, оцифровываются, буферизируются, обрабатываются и передаются по цифровым каналам связи в размещаемый на поверхности центральный компьютер, с которого осуществляется управление системой. Важное достоинство разрабатываемого аппаратно-программного комплекса состоит в применении промышленного цифрового интерфейса RS-485 в системе пере дачи данных, что допускает последовательное соединение датчиков и существенно упрощает схему их коммутации. В системе предусмотрено 8 линий связи, на каждую из которых можно подключить последовательно до 4-х цифровых приемников. В месте, наиболее удобном для разветвления линий, устанавливается электропитающее устройство (ЭПУ). Кроме основной функции, оно обеспечивает ретрансляцию цифровых потоков с целью повышения скорости приема-передачи данных и увеличения дистанции до датчиков. Лучшим решением здесь является устройство на одном из действующих горизонтов подземной аппаратной, где и устанавливаются соответствующие блоки аппаратуры. Для защиты системы от мощных импульсных помех и случайных воздействий высокого напряжения каждая цифровая линия связи обеспечивается ретранслятором с гальванической развязкой. В каждом цифровом приемнике поддерживаются часы реального времени, точность хода которых в каналах должна находиться в пределах 25 мкс.
Для обеспечения указанных параметров в блоке питания вырабатывается частота синхронизации хода часов. С целью экономии жил в кабеле возможно совмещение этой частоты с цепью подачи питания на цифровые приемники. Цифровая информация по 8 линиям основного магистрального кабеля поступает на стандартный многопортовый расширитель RS-485 (интерфейс), основные характеристики которого следующие: - защита от выбросов — 25 кВ; - оптоизоляция — 2 кВ; - монтаж - в компьютер на шину PCI; Излучаемые горным массивом акустические волны поступают на стандартные первичные преобразователи (1), которые в настоящее время используются в аппаратуре «Прогноз-5». В качестве чувствительного элемента в них используется демпфированная сдвоенная пьезокерамика D20xl0 мм. Для повышения чувствительности на низких частотах преобразователь снабжен инертной массой. Непосредственно около чувствительного элемента располагается предварительный усилитель (2), в задачу которого входит согласование высокоомного выхода пьезокерамики со входом цифрового приемника. Усилитель передает аналоговый сигнал акустических импульсов на расстояние до 3-5 м, где располагается блок цифровой обработки акустических сигналов. С целью обеспечения непрерывного контроля состояния системы в преобразователе устанавливается имитатор контрольного акустического импульса (7) и устройство его запуска (8), позволяющие тестировать датчики. Периодически, когда позволяет акустическая обстановка, с ПК выдаются команды на запуск имитации акустического импульса. Отклик преобразователя записывается в буферную память цифрового приемника и передается на поверхность для дальнейшей обработки. Анализ формы отклика позволяет судить об основных характеристиках приемного преобразователя: чувствительности, качестве контакта с горным массивом и др. Кроме того, тестируется весь тракт приема-передачи сигналов. Преобразователь и блок цифровой обработки АЭ-сигналов располагаются в установочной скважине, на расстоянии не более 3-5 м друг от друга. Согласующий усилитель-фильтр (3) предназначен для защиты аналого-цифрового процессора от случайных перенапряжений. Кроме того, с целью оптимизации сужения полосы пропускания в периоды появления низкочастотных помех в цифровом приемнике имеется возможность регулировки полосы пропусканиия. Нижняя частота среза фильтра устанавливается в пределах 250-300 Гц, для исключения негативного влияния акустических и электромагнитных помех, особенно интенсивных в диапазоне 50-100 Гц. Для обеспечения обработки сигналов с большим диапазоном введено три одинаковых фильтра, которые отличаются только входными сигналами. На первый канал поступают сигналы 1:1, на второй— 1:16, на третий— 1:256. С выхода усилителя-фильтра сигналы поступают на многоканальный вход аналого-цифрового процессора (5).
В качестве основного обрабатывающего узла выбран современный микроконтроллер C8051F121 фирмы «Silicon laboratories (SYGNAL)». Среди множества восьми разрядных микроконтроллеров данный контроллер является наиболее пригодным для предварительной цифровой обработки акустических импульсов. Его основные достоинства следующие: - применение общеизвестного ядра Х51; - конвейерный принцип выполнения команд, что позволило повысить производительность более чем в 10 раз; - пиковая производительность 10 операций в секунду, что позволит за один такт преобразования аналогового сигнала 25 мкс выполнить до 2500 вычислительных операций; - наличие двух АЦП различной производительности и разрядности; - встроенный регулируемый усилитель с коэффициентами передачи 0,5, 1, 2, 4, 8 и 16, что позволяет строить системы с высоким динамическим диапазоном свыше 100 Дб; - малое потребление - не более 50 мА при питании 3,3 В на тактовой частоте 100 МГц; - 128 Кбайт памяти программ; - 8 Кбайт сверхоперативной памяти; - два 12 разрядных ЦАП; - два встроенных компаратора; - наличие стековой системы переключения регистров общего назначения, что значительно уменьшает время переключения процессора от одного режима к другому; - наличие специальной системы CrossBar, использование которой позволяет динамично изменять конфигурацию подключения внешних цепей. В цифровом приемнике предусмотрена буферная память (4) для хранения формы нескольких акустических сигналов. Применение одномегабитпой ОЗУ позволяет осуществить буферизацию 32 сигналограмм регистрируемых акустических импульсов. Буферизация необходима для рационального использования цифровых каналов связи.
Похожие диссертации на Развитие методов геоакустического контроля удароопасного состояния массива горных пород при разработке рудных месторождений Дальнего Востока
