Содержание к диссертации
Введение
1 Условия возникновения и формы проявления горных ударов при разработке рудных удароопасных месторождений Сибири 14
1.1 Состояние изученности проблемы прогноза и предупреждения горных ударов 14
1.2 Природа и механизм горных ударов 16
1.3. Классификация динамических проявлений горного давления . 24
1.4 Роль природных и техногенных факторов в процессе возникновения динамических проявлений горного давления 26
1.5 Механизмы накопления и реализации энергии упругого деформирования при горных ударах 28
Выводы 31
2 Условия эксплуатации крупных железорудных месторождений Сибири, отрабатываемых подземным способом 33
2.1 Геологическое строение месторождений 33
2.2 Тектоника месторождений 43
2.3 Характеристика руд и пород 49
2.4 Горнодинамическая характеристика 56
2.5 Технология отработки месторождений и пути её совершенствования 63
Выводы 77
3 Общий анализ динамической обстановки на железорудных месторождениях Сибири 79
3.1 Сведения о динамических проявлениях горного давления 79
3.2 Мероприятия по прогнозу и предупреждению проявлений горного давления на Таштагольском месторождении 93
3.3 Положения математической статистики, используемые в работе 103
3.4 Основные параметры динамических проявлений горного давления на Таштагольском месторождении за период 1987- 2000 гг. и их общий анализ 105
Выводы 125
4 Уровень воздействия основных техногенных факторов на геодина мическое состояние массива пород Таштагольского месторождения . 128
4.1 Оценка уровня воздействия взрывных работ и процесса выпуска руды из компенсационных камер на геодинамическую активность массива пород за 1987-2000 гг. 128
4.2 Оценка уровня воздействия массового выпуска руды из блоков и других процессов на геодинамическую активность массива пород за 1987-2000 гг 149
4.3 Сравнительная оценка уровней воздействия техногенных факторов за 1987-2000 гг 152
Выводы 154
5 Деформационные процессы в крепи горных выработок в опасных по горным ударам условиям 156
5.1 Механизмы реализации и характер проявлений горных и горнотектонических ударов в выработках шахты Таштагольского место рождения 156
5.2 Роль массовых взрывов в деформационных процессах в горных выработках 166
Выводы 182
6 Зависимость параметров динамических проявлений горного давления после массовых взрывов от параметров буровзрывных работ 184
6.1 Параметры массовых взрывов и динамических проявлений горного давления 184
6.2 Исследование зависимостей между параметрами массовых взрывов и динамических проявлений горного давления 197
6.3 Особенности процессов геодинамической активности в массиве: пород после производства массовых взрывов 205
6.4 Факторы, инициирующие проявления горного давления после массовых взрывов 213
6.5 Исследование и обоснование параметров зоны опорного давления от влияния очистных работ и ее роль в процессах геодинамической активности 216
6.6 Зависимость параметров динамических проявлений горного давления от объёма взрываемого блока и сейсмического эффекта мае сового взрыва 226
Выводы 240
7 Способы управления энергетическими параметрами динамических проявлений в производственных условиях 243
7.1 Технологические способы 243
7.2 Использование элементов системы разработки для управления удароопасностью массива пород 281
Выводы 288
Заключение 290
Литература 295
Приложение 308
- Механизмы накопления и реализации энергии упругого деформирования при горных ударах
- Технология отработки месторождений и пути её совершенствования
- Основные параметры динамических проявлений горного давления на Таштагольском месторождении за период 1987- 2000 гг. и их общий анализ
- Оценка уровня воздействия массового выпуска руды из блоков и других процессов на геодинамическую активность массива пород за 1987-2000 гг
Введение к работе
Актуальность темы: Развитие горнорудного производства в нашей стране происходит за счет подготовки глубоких горизонтов действующих рудников и освоения новых, глубоко залегающих месторождений. На рудниках цветной и черной металлургии России в конце восьмидесятых годов прошлого столетия глубина разработки достигала 700-1200 м при среднем понижении горных работ в 15-25 м в год. Глубокие рудники характеризуются резким ухудшением горно-геологических условий: изменяются физико-механические свойства горных пород, уменьшается их пористость, повышается прочность. Рост горного давления в массиве пород на этом фоне ведет к возникновению проявлений горных ударов.
Горные удары, как явления, в ряде горнопромышленных районов мира известны более двух столетий. Уже к 1900 г. имели место настолько сильные горные удары с энергией до 10б МДж, сейсмические колебания от которых разрушали сооружения на поверхности [1]. К наиболее удароопасным районам мира в настоящее время относятся угольные и рудные бассейны Польши, ФРГ, Индии, ЮАР, США, Канады [2, 3, 4]. В России среди рудных месторождений удароопасными являются Североуральское бокситовое, железорудные месторождения Горной Шории и Хакасии, рудники Талнахского района, Кольского полуострова. На этих предприятиях имеют место все виды горных ударов от толчков и стреляний до горно-тектонических ударов с энергией 108-1012 Дж [5].
Впервые на железорудных месторождениях Сибири динамические явления в массиве горных пород стали проявляться в шестидесятые годы на Таштагольском руднике. Резкое ухудшение условий отработки месторождения с достижением глубины 400 м и возникновение динамических проявлений горного давления на глубине 500 м от поверхности требовало неотложного решения проблем горных ударов с привлечением учёных и специали-
6 стов-производственников. Организатором работы по прогнозу и предупреждению горных ударов на Таштагольском месторождении выступил главный инженер Горного управления КМК В.АКоваленко. К работе подключились научные и образовательные институты ИПКОН, ВНИМИ, ИГД СО АН СССР, ВостНИГРИ, КузПИ и другие. В короткие сроки учёными в тесном сотрудничестве со специалистами Горного управления КМК и Таштаголь-ского рудника были разработаны и внедрены противоударные мероприятия, временные, а потом и постоянные нормативные документы, в том числе «Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам», «Указания по безопасному ведению работ на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам», регламентирующие порядок производства горных работ. Это позволило продолжить отработку месторождения без снижения объёмов производства и экономических показателей, повысить уровень промышленной безопасности. За большой вклад в решение проблемы горных ударов коллектив учёных во главе с профессором доктором технических наук И:М.Петуховым был удостоен вручения государственной премии.
Дальнейшее понижение горных работ на Таштагольском, достижение глубины отработки в 400-500 м на Шерегешевском, Казском и Абаканском месторождениях вызвало рост интенсивности динамических явлений на Таштагольском месторождении, возникновение динамических событий с энергией 5-9 класса на Шерегешевском, динамических явлений в массивах пород Казского и Абаканского месторождений. Таштагольское месторождение отнесено к опасным, а Казское, Шерегешевское и Абаканское к угрожаемым по горным ударам.
Взрывные работы на горнорудных предприятиях до настоящего времени являются, и на ближайшую перспективу будут оставаться основным процессом горного производства. Опыт эксплуатации рудных удароопасных месторождений показывает, что взрывные работы выступают главным техногенным фактором, вызывающим опасные динамические проявления горного
7 давления в массивах пород. Особо сильное воздействие на геодинамическое состояние массива пород месторождений оказывают массовые взрывы, величина заряда взрывных веществ которых доходит до 700 т для специальных и 15-20 т для технологических взрывов. Так, на Таштагольском месторождении в 1987-2000 гг. в первые сутки после массовых взрывов произопшо свыше 50 % от общего числа наиболее мощных проявлений горного давления в динамической форме с энергией 107-109Дж. Горные удары, инициируемые массовыми взрывами, в последние годы имели место на Шерегешевском и Каз-ском месторождениях.
Возникновение горных ударов большой мощности на крупных железорудных месторождениях Сибири ведет к необходимости решения, мало изученной до настоящего времени проблемы управления напряженным состоя-нием массива пород при производстве массовых взрывов.
В этой связи разработка и обоснование в диссертационной работе способов управления удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при разработке крупных железорудных месторождений Сибири является технологическим решением проблемы борьбы с горными ударами, которое вносит вклад в повышение уровня промышленной безопасности и эффективности железорудной горнодобывающей отрасли региона.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ ВостНИГРИ и КузГТУ 1996-2004 гг., отраслевым планом научно-исследовательских опытно-конструкторских работ и межотраслевых программ по проблеме горных ударов, проводимых на рудных месторождениях в рамках ФЦП «Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона Алтае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии», государственного контракта №Э0123. №ГР 01200302559,
государственного контракта №38-6, заказ-наряда № 12' — «Разработка теории разрушения анизотропных горных пород в условиях объёмного напряженного состояния при комплексном воздействии на горный массив механических инденторов и гидравлических струй», № ГР 01200117892.
Целью работы является разработка способов управления удароопас-ностью горного массива пород железорудных месторождений изменением параметров взрывной отбойки.
Идея работы состоит в использовании закономерностей активизации динамических процессов в массиве пород железорудных месторождений в условиях производства массовых взрывов с целью разработки и обоснования способов управления удароопасным состоянием массива пород изменением параметров взрывной отбойки.
Задачи исследований:
исследовать закономерности активизации динамических процессов в массиве пород месторождений Горной Шории и Хакасии;
разработать методику оценки уровня воздействия технологических процессов горного производства на геодинамическое состояние массива пород;
установить механизм воздействия массовых взрывов и проявлений горного давления в динамической форме на крепь и массив пород горных выработок;
установить и исследовать закономерности активизации динамических процессов в массиве пород после производства массовых взрывов;
- установить эмпирические зависимости между параметрами буро
взрывных работ массовых взрывов и проявлений горного давления в дина
мической форме;
- разработать способы управления удароопасным состоянием массива
пород изменением параметров взрывной отбойки для условий железорудных
месторождений Сибири.
Методы исследований включают обобщение и научный анализ материалов отечественного и зарубежного опыта разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом в опасных по горным ударам условиях, исследования в производственных условиях с регистрацией параметров динамической активности и деформационных процессов в массиве горных пород, анализ результатов микросейсмологического метода прогноза горных ударов, обобщение и анализ зависимостей между параметрами динамических проявлений горного давления и параметрами буровзрывных работ массовых взрывов, методы математической статистики, промышленные эксперименты.
Основные научные положения, защищаемые автором:
уровень воздействия процессов горного производства, включающих специальные и технологические массовые взрывы, выпуск руды из компенсационных камер, из очистных блоков, проходческие взрывные работы, другие операции, на массив горных пород определяется интенсивностью проявлений горного давления в динамической форме;
деформации крепи горных выработок, обусловленные массовыми взрывами, возникают при образовании подсечного пространства на расстоянии до 25 м, при обрушении массива панелей - до 110 м от очага взрыва;
уровень сейсмической энергии динамических явлений, вызванных массовыми взрывами, обусловлен интервалами замедлений и определяется максимальной величиной заряда взрывчатых веществ замедлений;
снижение интенсивности динамических явлений в массиве горных пород достигается производством массовых взрывов с интервалами в одну и четыре недели;
- определение категории проявлений горного давления в динамической форме в массиве пород в целях прогноза и предупреждения динамических явлений производится по характеру нарушений в выработках.
Достоверность научных положений подтверждается:
- представительным объемом .длительных (до 14 лет) шахтных иссле
дований (5361 динамическое событие, 48 специальных, 337 технологических
і'Щ массовых взрывов на Таштагольском руднике) с применением современных
методов анализа геодинамической обстановки в массиве пород;
экспериментально-аналитическими исследованиями с применением методов математической статистики и теоретических обобщений закономерностей проявлений горного давления в массиве пород в условиях производства массовых взрывов;
удовлетворительной сходимостью (до 80 %) расчетных результатов с результатами инструментальных и натурных измерений при производстве работ в сложных горно-геологических условиях;
внедрением в практику рекомендаций исследований, таких как скважины больших диаметров, вертикальных, концентрированных зарядов (ВКЗ), неэлектрических средств инициирования (СИНВ) и др. на железорудных ме-
~ сторождениях Сибири с получением экономического эффекта и повышением
уровня промышленной безопасности.
Научная новизна работы заключается в:
установлении закономерностей активизации динамических процессов в массиве пород, обусловленных производством массовых взрывов;
разработке методики для определения уровня воздействия процессов горного производства, включая специальные и технологические массовые взрывы, выпуск руды из компенсационных камер и очистных блоков, проходческих взрывных работ и других операций, на массив горных пород по интенсивности динамических явлений в массиве;
определении расстояний от очага взрыва, в пределах которых в крепи горных выработок возникают деформации в результате производства массо-вых взрывов по образованию подсечного пространства и обрушению массива панели;
установление эмпирической зависимости между энергией динамических проявлений в массиве горных пород и величиной заряда взрывчатых веществ, обусловленной интервалами замедлений;
обосновании продолжительности интервалов между массовыми взрывами в целях снижения энергии динамических проявлений;
определении категории динамического явления в массиве пород по характеру нарушений в выработках для прогноза и предупреждения проявлений горного давления..
Практическая ценность работы заключается в:
использовании микросейсмологического способа прогноза горных ударов для оценки активизации динамических процессов в массиве пород;
установлении уровней воздействия процессов горного производства на массив пород;
обосновании параметров зоны опорного давления от очистных работ по фактическим результатам;
обосновании расстояний от очага взрыва зарядов, в пределах которых в крепи выработок возникают деформации, обусловленные производством технологических и специальных массовых взрывов;
разработке методов управления удароопасным состоянием массива пород при производстве массовых взрывов изменением параметров буровзрывных работ;
разработке регламента производства взрывных работ на Таштаголь-ском руднике;
разработке классификации динамических проявлений горного давления по их последствиям в горных выработках;
обосновании и внедрении в производство вертикальных концентрированных зарядов (ВКЗ), неэлектрических средств инициирования (СИНВ), скважин больших диаметров (до 280 мм), способов подготовки днищ блоков и других мероприятий.
Личный вклад автора состоит в исследовании процессов проявлений горного давления в динамической форме и разработке методики их оценки; анализе, обобщении и статистической обработке результатов инструментальных замеров и микросейсмологического способа прогноза и предупреждения горных ударов за период 14 лет; установлении закономерностей возникновения и реализации процессов динамической активности в массивах пород, отрабатываемых системами с массовым обрушением; разработке методики оценки степени воздействия основных технологических процессов горного производства на динамическую активность массива пород; разработке классификации динамических проявлений горного давления по нарушениям в горных выработках; установлении статистических зависимостей между параметрами динамических проявлений горного давления и параметрами буровзрывных работ массовых взрывов; внедрении на руднике противоударных мероприятий; разработке рекомендации по управлению напряженно-деформированным состоянием массива пород при проведении массовых взрывов и внедрении регламента их производства в опасных по горным ударам условиях; внедрении в производство скважин большого диаметра;; вертикальных концентрированных зарядов, неэлектрических систем инициирования, компенсационных камер эллипсовидной формы, плоской горизонтальной подсечки, способов подготовки днищ блоков и других противоударных мероприятий.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли в «Методические рекомендации по предотвращению ударов горно-тектонического типа на железорудных месторождениях Сибири» (1997г., г. Новокузнецк), в «Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, склонных и опасных по горным ударам» (2001г., г. Новокузнецк), «Методические указания по применению конструктивных мер зашиты сооружений в зонах опасных сдвижений земной поверхности от подземных горных работ на железорудных месторождениях Сибири» (2001г., г. Новокузнецк), «Руководство по со-
13 оружению вертикальных стволов при повышенном горном давлении в ударо-опасном массиве горных пород на рудниках Сибири» (2001г., г. Новокузнецк), методические отраслевые документы, доведенные до практического
.ф использования на рудных месторождениях склонных к горным ударам, эко-
номический эффект от их внедрения составил в 1995-2004 гг. 625 тыс. руб. в год, доля автора составила 32%.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований заслушаны и одобрены на заседаниях научно-технического семинара КузГТУ (Кемерово, 1994-1995 гг.), на Международной конференции«Горные науки на рубеже XXI века» (М-Пермь, 1997 г.), на конференции «Совершенствование подземной разработки» (Кемерово, 1999 г.), на научно-практической конференции «Оценка современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений, методам прогноза и предупреждения горных ударов» (Таштагол, 2000 г.), на Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных по-
\» род» (г. Абаза, Хакасия, 2002 г.), на Международной конференции«Пробле-
мы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004 г.), на совещаниях ОАО «Сибруда», ООО «Кузнецкий ГОК», Таштагольского рудника.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 27 печатных работах, включая 5 авторских свидетельства СССР и 3 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 314 страницах и состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, приложения, содержит 49 таблиц и 63 рисунка. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность д.т.н. Егорову П.В., д.т.н. Цинкеру Л.М., д.т.н. Ерёменко А.А., к.т.н. Вагановой В.А., научным сотрудникам институтов ВостНИГРИ, КузГТУ и
ІЩ СибГИУ за советы и помощь при выполнении работы, а также работникам
предприятий ОАО «Евразруда».
Механизмы накопления и реализации энергии упругого деформирования при горных ударах
При приближении горных выработок к разрывному нарушению в области между выработкой и нарушением величина напряжений значительно возрастает. Горная выработка сохраняет устойчивость до тех пор, пока на пряжения в краевой части массива не превысят предел прочности на сжатие. При дальнейшем продвижении выработки происходит бурное разрушение целика в виде горного удара [13,22,29].
Общей особенностью для горных ударов в подготовительных выработках (стреляний, микроударов, собственно горных ударов) является их приуроченность к взрыву зарядов, рассечке ниш, камер, влияние крепления [22]. Опасность горных ударов в выработках возникает, когда необратимо деформирующийся у выработки материал окружён породами той же, либо меньшей жёсткостью.
Толчки и горно-тектонические удары связаны с хрупким разрушением материала в глубине массива пород и происходят в результате резких подвижек по тектоническим разломам и трещинам в массиве, имеющем блочное строение с размерами блоков от соизмеримых с размерами месторождения и шахтного поля до макроструктуры горных пород [4, 22, 30]. Массив горных пород, как система, в каждый момент имеет предельное распределение напряжений и предельный запас потенциальной энергии. На любое изменение устойчивости в целом или на отдельных его участках, он отвечает деформированием, стремясь восстановить существующее до этого предельно-напряжённое состояние. Появление полости на больших глубинах вызывает возникновение зоны предельно-напряженного состояния пород вокруг неё, при этом нарушается равновесие и начинается перераспределение напряжений в массиве пород [4].
Накопленная в глубине массива потенциальная энергия, связанная с возрастанием напряжений в результате горных работ вызывает разгрузку больших массивов горных пород в сторону образовавшихся полостей, сопровождаемую толчкообразными подвижками по границам блоков, слагающих массив. Появление одного толчка вызывает перераспределение напряжений в блочной системе и соответственно серию других толчков. Блочный массив горных пород толчкообразно деформируясь, постоянно изменяет своё состояние, приспосабливаясь к новому, стремясь найти в нём устойчивость [30, 31].
Возникновение в массиве пород высоких касательных напряжений может привести к формированию новых магистральных трещин большой протяжённости и к горным ударам трещинного типа [31].
Во всех случаях на участках пересечения выработок с магистральными трещинами или другими поверхностями подвижек наблюдается разрушение выработок. При расположении горных выработок вдали от места проявления подвижек они испытывают воздействие сейсмической волны от толчка, которая может вызывать обрушение пород с бортов и кровли выработки или горные удары в местах наличия удароопасной ситуации [30,31].
Особенностью толчков и горно-тектонических ударов является то, что координаты их гипоцентров можно определить только с помощью сейсмо-станции.
До настоящего времени для условий железорудных месторождений Сибири отсутствует методика оценки уровня воздействия технологических процессов горного производства на геодинамическое состояние массива пород, недостаточно изученным остается вопрос взаимосвязи параметров БВР массовых взрывов с параметрами проявлений горного давления в динамической форме, механизм воздействия массовых взрывов на крепь горных выработок.
Динамические проявления горного давления в массиве горных пород действующего горнодобывающего предприятия являются результатом взаимодействия двух полей— естественного, определяемого природными факторами, и технического, при этом природные факторы существуют независимо от того, отрабатывается или нет месторождение и играют главенствующую роль в процессе зарождения и возникновения горных ударов, а технические, накладываясь на природные, выступают в роли «спускового крючка». Обязательным условием возникновения проявлений горного давления в динамической форме является с одной стороны — наличие напряжений в массиве пород, превышающих предел прочности пород на сжатие, геологических нарушений, трещин, зон, контактов пород, с другой - процессов горных работ (наличия выработок, очистного пространства, взрывных работ и т.д.).
Тип динамического проявления горного давления определяется местоположением его очага в массиве пород: собственно горные удары и микроудары являются результатом разрушений краевой части массива (борта, целика); горно-тектонические удары (в том числе и толчки) зарождаются в глубине массива пород вдали от горных выработок и являются результатом толчкообразных подвижек по границам структурных блоков.
Поскольку на каждом отрабатываемом подземным способом месторождении обязательным условием является наличие как природных, так и технических факторов, определённое сочетание которых в какой то момент времени может вызвать проявление горного давления в динамической форме, исключить полностью динамические проявления в ходе отработки месторождений, используя такие мероприятия, как разгрузочные щели, камуфлетно-сотрясательные взрывания и другие, не представляется возможным. В целях повышения безопасности работ в удароопасных условиях отработки месторождений необходима разработка технологических мероприятий, позволяющих снижать частоту и энергию динамических проявлений горного давления, или исключать их в момент нахождения трудящихся в шахте.
Изменение физико-механических свойств руд и пород с глубиной разработки, появление горных ударов ведёт к необходимости совершенствования основного процесса горного производства - буровзрывных работ как в направлении повышения их эффективности, так и безопасности, в этих условиях изучение взаимосвязи параметров взрывных работ и параметров динамических проявлений горного давления является актуальной научно-технической задачей, решение которой должно базироваться на анализе и изучении геодинамической обстановки на месторождениях, учёте результатов ранее разработанных технологических и организационных мероприятий.
Технология отработки месторождений и пути её совершенствования
Отбойка руды в камерах велась послойно из открытых заходок с параллельной схемой расположения скважин. Расход ВВ на отбойку в камерах составлял 0,35-0,40 кг/т. МКЦ обрушали пучками нисходящих скважин, пробуренных из откаточного орта, потолочину - минными зарядами с расходом ВВ 0,7-0,9 кг/т [27, 48]. С переходом на этажную отбойку руды скважинами резко уменьшилась протяжённость подготовительно-нарезных выработок на 1000 т руды (до 5-6 м). Производительность камер возросла до 10-15 тыс. т в месяц, производительность труда рабочего по руднику составила 90 т в месяц, а по системе - 12-14 т в смену. Уход от открытых подэтажных заходок позволил повысить безопасность очистных работ. Выпуск руды по-прежнему производился через камеры грохочения с погрузкой в вагоны люками с секторным затвором.
Отработка горизонтов+330,+270 и+210 м велась преимущественно этажно-камерной системой разработки (до 95-96 % объёма добычи). Однако в этажах (+270) - (+330) ми (+210) - (+270) м параметры этой системы перестали отвечать требованиям безопасного ведения работ. На глубине 300-400м от поверхности были отмечены первые динамические проявления в форме стреляний, интенсивных заколообразований, случаев самообрушений МКЦ и потолочин до отработки камер. Это обусловило необходимость изменения параметров системы разработки. В отдельных блоках ширину МКЦ увеличили до 18 м, ширину камер уменьшили до 9 м [49], а площадь обнажения - до 400 м , но динамическая ситуация продолжала ухудшаться [27, 48]. Участились стреляния горных пород в очистных забоях, снизилась устойчивость выработок, разрушения целиков и потолочин приняли систематический характер.
В 70-е годы была разработана и внедрена на рудниках Горной Шории и Хакасии система непрерывного этажно-принудительного панельного обрушения с вибровыпуском руды, которая и в настоящее время является основной на рудниках. Система предусматривает деление рудного тела, для подготовки его к очистной выемке, на этажи высотой 70 м, а этажи — на панели шириной по 27-30 м по простиранию рудной залежи. Руда выемочных панелей отбивается непрерывным фронтом по простиранию рудного тела.
Базовая модель системы разработки непрерывного этажно-принуди-тельного обрушения имела следующие параметры (рисунок 2.11): высота этажа — 70 м, длина блока (панели) по простиранию залежи - 27 м, ширина блока - на всю мощность залежи, высота подсечки — 15 м, удельный расход подготовительных и нарезных выработок на 1000 т руды - 3,8 м, потери руды - 12 %, разубоживание - 27,7 % [27, 48]. Отбойка руды выполнялась нисходящими, восходящими и горизонтальными скважинами и пучками скважин на компенсационные камеры прямоугольной формы шириной до 5 м с одной стороны и на зажатую среду (обрушенный массив предыдущего блока) с другой. В качестве подсечки массива пород блока использовалась траншейная подсечка и комбинация траншейной подсечки с плоской.
Выпуск и доставка руды производилась установками ВДПУ-4ТМ, откатка в вагонах ВГ-9, ВГ-9,5, а также другими транспортными системами, прошедшими испытания на рудниках [50].
Внедрение системы позволило за счёт сокращения площади обнажения потолочины до 100-200 м и объёма пустот в блоке до 5-10 тыс.м уйти от обрушения потолочин и МКЦ в блоках. Расход ВВ на отбойку руды в блоке составил 0,55 кг/т, на вторичное дробление - 0,05-0,06 кг/т, выход негабарита не превышал 3-4 %, протяжённость подготовительно-нарезных выработок на 1000 т руды снизилась до 3 м, потери руды по системе стабилизировались на уровне 11-12 %, разубоживание - 30-31 %. Производительность труда рабочего на подземных работах превысила 23 т/чел см, рабочего по руднику -240-250 т/мес, себестоимость по системе снизилась в 1,3 раза [27,48]. В 1975-1979 гг. система непрерывного панельного этажно-принуди-тельного обрушения являлась основной на месторождении.
С понижением горных работ до глубины 520 мот поверхности (гор. -70 м) частыми явлениями стали разрушения бортов компенсационных камер, которые сопровождались горными ударами. Ухудшилась ситуация и в днищах блоков. Массовыми стали случаи разрушения бортов и кровли смотровых выработок, в результате динамических проявлений горного давления. Это вело к снижению в целом безопасности работ на выпуске руды. Образование траншейной подсечки сопровождалось деформацией штанговых скважин, их значительными потерями, разрушением траншейных ортов, возникновением в них первой и второй категорий удароопасности.
Внедрение на месторождении системы разработки с отбойкой руды в зажатой среде вертикальными пучками параллельно сближенных скважин, разработанной специалистами Таштагольского рудоуправления совместно с работниками ИГД СО АН СССР и института ВостНИГРИ, явилось попыткой разрешения всех вышеназванных проблем.
По сравнению с предыдущей системой в новую были внесены следующие изменения: исключены компенсационные камеры; осуществлён переход на плоскую горизонтальную подсечку высотой 2 м; исключена проходка смотровых выработок в днище блоков; послойное обрушение массива блока в два этапа.
Первые испытания системы разработки с отбойкой руды в зажатой среде вертикальными пучками параллельно сближенных скважин были проведены в 1975-1977 гг. в этаже (-70) - (0) м в блоке № 19. Блок отбивался двумя слоями по 13,5 м каждый. Выход негабарита составил 1,5-2 %, удельный расход ВВ на отбойку массива 0,6 кг/т, на вторичное дробление - 0,04 кг/т [27,48].
Отсутствие компенсационных камер исключило вероятность обрушения бортов камер и потолочин, что повысило безопасность работ в блоке. Стабилизировалась ситуация и в днище блоков. Успешный опыт отработки блока №19 подтвердил перспективность отбойки руды в зажатой среде для условий Таштагольского месторождения. В 1980 г. с использованием этой системы было добыто 64,6 % руды [48].
Основные параметры динамических проявлений горного давления на Таштагольском месторождении за период 1987- 2000 гг. и их общий анализ
Электрометрический метод в модификации электропрофилирования производится по капитальным выработкам, расположенным в массиве вмещающих пород. Выполняется по симметричной четырёхэлектродной схеме аппаратурой ИКС-50 и АНЧ-3 с использованием стационарных и переносных прижимных электродов. В .основу методики положен выявленный характер взаимосвязи геомеханического состояния массива пород с изменением их электрического сопротивления. Уровень удароопасности определяется по рассчитываемому электрометрическому коэффициенту [19, 23].
Электрометрические исследования методом подземного электрического зондирования на больших базах выполняются для оценки уровня напряженного состояния массива в районах активных тектонических зон и выявления зарождающихся очагов горнотектонических ударов. Центры электрического крупнобазового зондирования выбраны на горизонтах (-140), (-210) и (-280) мв активных зонах. Принцип метода основан на изменении электросопротивления по глубине зондирования в исследуемых участках зон при изменении их контактной плотности. Уровень напряжённого состояния определяется по разности измеренных значений, отнесённых к первоначально измеренной величине. В результате исследований, проведённых на руднике совместно с СФ ВНИМИ, определены критерии удароопасности по параметру напряжённости.
При проходке капитальных и подготовительных горных выработок производится оценка удароопасности массива методом электрокаротажа по скважинам впереди забоя через каждые двадцать метров его продвижения. Методом электрокаротажа осуществляется также контроль по стационарным станциям в районе ствола «Западный» на гор. (-210) и (-140) м, северовосточном квершлаге гор. (-280) м. Электрокаротаж выполняется по симметричной четырёхэлектродной схеме аппаратурой АНЧ-3.
Метод кернового бурения скважин предназначен для оценки напряжённо-деформированного состояния в глубине массива пород в районах тектонических нарушений, а также на других участках массива, где требуется выявить наличие удароопасных зон и высоких концентраций напряжений. Буровые работы выполняются силами участка ППГУ станком БСК-2-100. Уровень удароопасности определяется по толщине керновых дисков согласно принятой методики [19; 23]. Ежегодно на руднике бурится от 700 до 1000 м керновых скважин.
Физической основой применения метода регистрации естественного импульсного электромагнитного излучения (ЕИЭМИ) является проявление механоэлектрических эффектов в горных породах при действиях механических нагрузок (напряжений). Возникновение и развитие в массиве пород микротрещин сопровождается появлением электромагнитных импульсов, по интенсивности и величине которых, можно судить о степени удароопасности массива пород. Замеры электромагнитных импульсов осуществляются приборами ЕГ-9 или РВИНДС. Чувствительность прибора РВИНДС позволяет фиксировать события в диапазоне частот от 2 до 50 кГц. Замеры ведутся по контрольным точкам в выработках и забоях, в которых отмечены признаки локальных концентраций напряжений. По результатам замеров выделяются зоны с разной категорией удароопасности. В настоящее время метод находится в стадии испытания.
Оценка степени удароопасности участков массива пород локальными методами выполняется в выработках района, в котором хотя бы одним из методов регионального прогноза установлен опасный уровень напряжённости массива пород. Кроме того, локальные методы прогноза применяются в горных выработках, попадающих в зону опорного давления на расстоянии до 40 м от отрабатываемого блока, а также при проходке прямолинейных подготовительных и капитальных горных выработок по их трассам через каждые 20 м их продвижения с интервалом прогнозирования впереди забоя не менее 4 м, при проходке вертикальных стволов и криволинейных участков подготовительных и капитальных выработок через каждые 5 м (методами ЕИЭМИ или электрометрии).
Контроль степени удароопасности в основных выработках, пройденных вне зоны влияния очистных работ, выполняется электрометрическим методом не реже одного раза в полугодие, а в выработках, попадающих в зону опорного давления, а также пройденных вблизи крупных разрывных нарушений и контактов удароопасных пород на расстоянии до 15-20 м от них — не реже одного раза в квартал.
Аппаратурным контролем охвачены все основные процессы горного производства от проходки выработок до выпуска рудной массы. Работы по контролю за состоянием массива пород ведутся по планам, утверждённым главным инженером рудника.
Технологические мероприятия имеют целью адоптацию технологии горных работ к удароопасным условиям посредством совершенствования её элементов. По назначению технологические мероприятия можно разделить на региональные и локальные. Региональные мероприятия направлены на повышение безопасности работ при вскрытии, подготовке и отработке месторождения в целом, его участка, этажа, локальные - при подготовке и отработке отдельных очистных блоков. К региональным технологическим мероприятиям относятся: - структурный анализ района предполагаемого расположения стволов при выборе их места заложения и предварительная оценка удароопасности пород по трассе ствола; - ориентировка основных горизонтальных выработок и выработок околоствольных дворов вдоль направления действия максимальной составляющей горизонтальных напряжений в нетронутом массиве горных пород; - раскройка месторождения на шахтные поля и установление порядка их отработки с обеспечением планомерного извлечения запасов без оставления острых углов и выступов фронта очистных работ; - ведение очистных работ от центра участка к флангам сплошным фронтом в полузажатой или зажатой среде без оставления целиков при минимуме открытого выработанного пространства с расчётными параметрами зоны сплошной отработки [57]; - ограничение числа встречных и догоняющих фронтов очистных работ; - расположение полевых штреков и камер специального назначения вне зоны влияния очистных работ в лежачем боку не ближе 90 м от контура руд-ныхтел; - отработка мощных рудных тел системами этажно-принудительного обрушения с одностадийной выемкой; - отработка мелких рудных тел после основной залежи в защищенных зонах; - соблюдение расстояний между параллельными выработками не менее четырёх наибольших размеров выработки; - придание выработкам полигональных или других устойчивых форм поперечного сечения, возведение в них податливых или поддерживающих крепей, пересечения выработок преимущественно под прямым углом.
Оценка уровня воздействия массового выпуска руды из блоков и других процессов на геодинамическую активность массива пород за 1987-2000 гг
Динамические процессы в массиве горных пород месторождения — результат сочетания природных и техногенных факторов. Для условий Ташта-гольского месторождения к природным факторам относятся: наличие геологических нарушений, зон, даек, контактов пород; высокие остаточные и новейшие тектонические напряжения; физико-механические свойства руд и пород; глубина ведения горных работ.
К техногенным факторам, с учетом особенностей технологии отработки месторождения, относятся: взрывные работы, в том числе специальные и технологические массовые взрывы, взрывы на проходческих работах [55]; выпуск рудной массы из блоков, компенсационных камер и выработок горизонтов подсечки; прочие горные работы.
Под воздействием техногенного фактора (технологического процесса производства) на динамическое состояние массива пород, в данной работе, принимается влияние, оказываемое процессом горного производства или элементом технологии на геодинамическую ситуацию в массиве пород в любом этаже и на любом участке месторождения. В результате влияния технологических процессов на состояние массива пород проявляется реакция массива в виде динамических проявлений горного давления. В качестве критерия оценки воздействия любого процесса производства на состояние массива пород рассматривается уровень реакции массива на действие со стороны данного процесса, выраженный в количестве динамических проявлений горного давления и их энергии за определенный период времени. Принимается условие: чем больше произошло динамических проявлений горного давления и выше их энергетические показатели, тем выше уровень воздействия процесса производства на массив пород.
Для расчета и сравнения уровней воздействия различных процессов в сопоставимых единицах на динамическое состояние массива пород в данной работе введены категории - коэффициент воздействия процесса и энергетический коэффициент воздействия. В качестве коэффициента воздействия процесса горного производства принимается процентное соотношение количества динамических проявлений горного давления за определенный промежуток времени, возникновение которых рассматривается как результат данного процесса, к суммарному количеству динамических событий за тот же период времени на месторождении.
Энергетический коэффициент воздействия процесса - процентное соотношение суммарной энергии динамических проявлений, произошедших в результате воздействия на массив пород данного процесса за определенный промежуток времени, к общей энергии всех проявлений за тот же период времени на месторождении.
Таким образом, коэффициент воздействия (энергетический коэффициент воздействия) процесса определяет долю динамических проявлений (энергии динамических проявлений), вызванных процессом за какой то период времени, в общем количестве проявлений (энергии проявлений) за тот же период времени на месторождении в процентах. Сумма коэффициентов воздействия всех основных технологических процессов, так же и сумма всех энергетических коэффициентов воздействия за установленный временной промежуток равна 100 %. — коэффициент воздействия технологического процесса, в %; 5ЛЯф - количество динамических проявлений, вызванных одним из процессов за установленный период времени, шт; SN— суммарное количество динамических проявлений на месторождении за тот же период времени, шт; К\у -энергетический коэффициент воздействия процесса, в %; W j, — энергия всех динамических проявлений, вызванных процессом за установленный период времени, Дж; EW - суммарная энергия всех динамических проявлений горного давления на месторождении за тот же период времени, Дж.
Анализ динамических проявлений горного давления за период 1987-2000 гг. показывает (таблица 3.9 и рисунок 3.15), что наибольшее число проявлений имели место в воскресные дни с8до9ис12 до 13 час. Поскольку технологические массовые взрывы производятся в воскресенье в 8 час, а специальные массовые в 12 час, следовательно, технологические и специальные массовые взрывы являются на руднике основными инициаторами динамических событий.
По данным таблицы 3.8 и графиков рисунков 3.13 и 3.14 процессы релаксации напряжений в массиве пород после массовых взрывов продолжаются в течение недели. Для подтверждения этого весь период 1987-2000 гг. был разделен на три самостоятельных временных периода: - недели после специальных массовых взрывов (48 недель); - недели после технологических массовых взрывов (337 недель); - недели без массовых взрывов (345 недель). Первый и второй периоды - недельные периоды с момента взрыва по седьмой день после него, третий- все дни недель, когда массовые взрывы не проводились, а от последнего взрыва до первого дня недели без взрыва прошло не менее 7 дней, что позволяет исключить влияние взрывных работ.
Поскольку специальные и технологические массовые взрывы производились не только в воскресные, но и другие дни недели, в ряде таблиц отсчет дней идет не от воскресенья, а со дня производства взрыва: 1-й день, 2-й день и т.д., причем 1-й день - день взрыва. Для недель без взрыва, в исключительном большинстве случаев, первый день совпадает с воскресеньем. В таблицах 4.1 и 4.2 представлены данные, характеризующие распределения суммарного количества динамических проявлений и их суммарной энергии с 1987 по 2000 гг. по трем вышеуказанным периодам времени, а на рисунках 4.1 и 4.2 графики, построенные на основании таблиц.
