Исследование динамической природы горных ударов и обоснование критериев их прогноза Белов, Николай Иванович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Развитие горнодобывающей промышленности связано с увеличением глубины разработки. При наличии горизонтальных тектонических напряжений это, как известно, приводит к значительному возрастанию горного давления, которое выражается в динамических его проявлениях. Отработка апатито-нефелиновых месторождений достигла глубин Б00-600м. При этом эффективность добычи значительно снизилась,особенно под висячим боком, вследствие увеличения напряженности пород и удароопасности выработок. Интенсивность динамических проявлении горного давления (в дальнейшем ДПГД) в основном возрастает в выработках днища в окрестности очистных пространств. Количество горных ударов резко возросло в последние годы, например ₍ на хибинских и ловозерских рудниках число горных ударов приближается к 30, а ДПГД за последнее время внутри массива достигает 300 в год с энергией превышающей 10³-10⁴дж. Кроме того, стали проявляться горно-тектонические удары, в частности три из них квалифицированы как мелкофокусные землетрясения с' магнитудой 4-5 баллов по шкале Рихтера.Такую общую картину можно проследить практически для всех рудных месторождений страны. Как известно, усиление опасных проявлений горнего давления в виде горных ударов представляет непосредственную опасность для жизни людей и негативно влияет на экономику производства. Теория, применяемая при расчетах, опирается на методы теории упругости и линейной механики разрушения. Очевидно, что ими в полной мере описать горные удары и ДПГД невозможно, поскольку не учитываются нестационарный характер нагружения массива и периодические и непериодические воздействия .на него, несмотря на то, что основное число горных ударов связано с взрывными работами или другими динамическими воздействиями.

Таким образом,неучет динамических воздействий, связанных с импульсными нагрузками взрывных и других (бурение) работ, и ьлияния длительно действующих природных явлений: условно - периодически;: лунно-солнечных приливов, сезонной неравномерной скорости вращения Земли и геофизических факторов,обусловленных солнечной активностью, не позволяет заранее предугадать момент раарупения, а это является серьезным сдерживающим фактором для создания теории горных ударов. Это позволило сформулировать цель и задачи исследований.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является обоснование динамической модели горного

удара и критериев прогноза удароопасности локально участков массива пород-в окрестности .выработок..

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в учете влияния динамических воэмуце-ний на состояние предельнонапряженных участков массива горных пород.

1. Исследовать влияние динамических возмущений на предельно-напряженные участки массива пород в окрестности выработок а оценить условия реализации горных ударов.

2.изучить условия и закономерности формирования предельненапряженных участков массива а окрестности выработки с учетом структурных ослаблений в ее кровле.

1. Обосновать критерии прогноза удароопасности по параметрам разрушения пород в предельнокапряженной части контура выработка.

2. Обосновать способы предупреждения горных ударов путем ослабления упругих связей, разделения (упругих систем) приконтурного массива и массива,прилегающего к нему, по частоте и снижением скорости динамических воздействий на удароопасные участки приконтурного массива (предельнонапрлжеиные ' участки '- синоним удароопасные участки. В этом случае, напряжения на контуре обнажения превышают 0.8б_Сж или такому состоянию пород соответствует окрестность точки

.максимума на диаграмме напряжения-деформация, здесь б_Сж - предел прочности на одноосное сжатие).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные задачи решались комплексным методам, включавшім: аналиа и обобщение научного опыта и достижений по проблеме исследований; изучение физико-механических свойств пород и руд в натурных и лабораторных условиях; исследование напряженно-деформированного состояния и закономерностей формирования удароопасности массива аналитическими, численными и инструментальными методами; аналитическое, численное и экспериментальное обоснование способов прогноза удароопасности и повышения устойчивости выработок с использованием основных положений механики сшшшных_сред, аналитической механики и математической физики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что:

1. Обоснована модель горного удара, учитывающая периодические колебания упругих деформаций ( сжатия-растяжения ) массива, удовлетворявших закону Гука. Модель позволяет определить реакцию структур различного масштабного трезкя масекаа перед на динамичес-

кие возмущения в форме различных резонансных явлений. При атом потеря устойчивости устанавливается при превышении упругими знакопеременными деформациями своих предельных величин с возможным разрушением участка массива, где произошли превышение,

2. Установлена зависимость частот собственных колебаний структур массива от геометрических размеров неоднородностей раг-личного масштабного уровня. На основе этого разработана классификация иерархических структур массива различного масштабного уровня.

3. Установлено влияние структурных неоднородностей на закономерности формирования улароопасных зон в кровле выработки. Іїрї: расстояниях (1) между кровлей и трещиной K(Q.1-D.4)h (h-высота выработки) тангенциальные напряжения в кровле выше на 40% и более. При этом в поперечном сечении выработки площадь с предельными напряжениями з ее кровле в 13 раз превышает такую же площадь при отсутствии трещины.

4. Разработана и обоснована комплексная методика определения предедьнонапряженных участков массива и удароопаскости выработок по параметрам разрушения керна с учетом трех составляющих тензора напряжений и стенок скважин с учетом изменения ее геометрии в процессе разрушения ее стенок на масштабном уровне, ограничивающим окрестность выработки.

5. Обоснованы локальные методы приведения выработок в нёударо-опасное состояние путем вкброизоляции приконгурного массива (объекта защиты):ослаблением упругих связей,снижением скорости динамических воздействий и разделением упругих систем по частоте. Это исключает появление различных резонансных явленій-в непосредственной окрестности защищаемых участков массива пород.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:.

- динамические проявленій горного давления и горные удары,возникают под влиянием природных и техногенных периодических, импульсных и случайных динамических воздействий на участках массива пород, состояние которых близко к предельному,' и при этом они(участ-тки) обладают высокой чувствительностью к внешним возмущения в со-тветсвии с волновым числом и собственной частотой упругих колебаний этих участков (массовые взрывы, Езрывы на вторичном дроблении или при проходке выработок, бурение и факторы космического характера: неравномерность вращения Земли, приливные явления и др.), ко-

торые приводят удароопасные участки массива пород к абсолютной неустойчивости;

при подготовке к ДПГД, горному удару или землетрясению реакция на динамические возмущения структур раеличного масатабного уровня, выра>1ающаяся в потере их устойчивости, зависит от их волнового числа и их собственной частоты упругих колебаний (явления резонанса и др.);

установлено, что объем и кривизна контура разрушения выработки (скважины) зависят от напряжений, действующих в массиве, которые можно вычислить по эмпирической формуле: 04-6xC4(l-R²)+0.4(l-R)+33(rfle R - радиус кривизны контура разрушения, б_Е - напряжения, отвечающие за разрушение контура скважины, б_х-напряжения,действующие в мзссиве на бесконечности ), а толщина дисков при разрушении керна зависит от трех составляющих тензора напряжений. При этом определена степень влияния величины каждой составляющей тензора напряжении на толщину образующихся дисков. Величина действующих в массиве напряжений оценивается по формулам:

бг/бтах —A*e~³*^d/t, где А и B-f (б_х/бу). Причем, в соответс
твии с принципом независимости сил, 'функции должны быть линейными,
а тогда : А - 0.12*(б_х/б_у)»Ю.2 и В 0.05*(б_х/б_у)«>+0.15

- на удароопасных участках массива создание экрана в стенках
или забоях выработок в виде щелей или зон неупругих деформаций, з
плоскости ортогональной направлению максимально действующим напря
жениям, эквивалентно вибрсизоляции приконтурного массива пород
("объекта"). Тем самым достигается основной принцип виброзащиты -
снижение уровня дккзкКчвскіїзс воздействии на "объект" (прккоктуркыи
массив) за счет снижения жесткости и разделения упругих систем по
частоте.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ обеспечена :

использованием фундаментальных законов аналитической механики и механики сплошных сред;

сравнением результатов исследования данных математического моделирования и достаточной их сходимостью с экспериментальными данными ( натурными и лабораторными);

положительными результатами натурных испытаний разработанных методов на 5 рудниках АО"Апатит" и Ловоэерского ГОКа Кольского полуострова.

Результаты исследований доведены до практического внедрения их на рудниках Кольского полуострова для прогноза удароопаснссти массива пород и для профилактики горных ударов в качестве мер борьбы с ними.

Основные положения работы включены в действующие "Указания пс безопасному ведению горных работ на хибинских апатито-нефединовых месторождениях, склонных к горным ударам", "Указания по безопасному ведению горных работ на Ловозерском месторождении,склонном к горным ударам", "Временные указания по приведению выработок в неу-дароопасное состояние методом бурения разгрузочных скважин и шпуров на рудниках производственного объединения "Апатит"," Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса". - П.: БНИИгеоинформскетем, 1987, 117с.

Внедрение разработок по профилактике горных удароЕ осуществлено на подземных рудниках АО "Апатит" с экономическим эффектом свыше 173 тыс. рублей в год (в ценах 1990г.) и значительным социальным эффектом.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на IV,VII Всесоюзных координационных совещаниях по решению проблемы горных ударов на рудных и нерудных месторождениях, проведенном г.Кировске на базе АО "Апатит" и Горного института КФ АН СССР в 1984, 1991 гг.; на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород в г. Новосибирске ИГД СО АН СССР в 1983г.. 1990г.; на 2,3,4 - Всесоюзных школах-семинарах "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород"(в городах Фрунзе.Иркутске, С. Петербурге 1985, 1988, 1991гг.);на 5 Региональной конференции молодых ученых по "Разработке и совериенствованкю способов и средств добычи и оЗогащвКйя полезных ископаемых Кольского полуострова" в г.Апатиты,1987г; на 7th International Conference Computer Methods and Advaces in Qeomechanics,Calms ( в Австралии 1991г ) ; на ESS 18th General Gephyslcal Assambly (в Эдинбурге, 6-10 апреля 1932г);ка 43rd Arctic Science Conference Program and Proceeding,8-12 сентября 1392г.Valdez (на Аляске) ;Ka"GE0CCIff^-IN^,E-33"/Moritpelller /8-11 Junel993, (Фракции); на "EUROCK- 93"/Llsboa/25-29 June 1993, (Португалия).

ПУБЛИКАЦИЯ. По результатам исследовании опубликовано 25 статей и брошюр, в том числе 5 методических указаний.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ.Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 147 страниц машинописного текста, 62 рисунка,16 таблиц,' список литературы из 241 наименования.

Работа выполнена а Горней институте Кольского научного центра РАН. В основу диссертации положены результаты исследований автора, выполненные в период с 1980-1991гг. в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ лаборатории " Механики горных пород" в качестве ответственного исполнителя по разделу : "Исследования и разработка предвестников динамических разрушений пород в массиве для прогноза горных ударов, устойчивости подземных сооружений и техногенных землетрясений", в теме 5-8- 2602 " Изучение силовых полей, процессов деформации и разрушения крупномасштабных блоков горных пород в шахтных условиях с целью развития физических основ методов прогноза горных ударов, устойчивости подземных сооружений" (1986-1990гг.), а также в теме 5-81-2601- "Исследование удароопас-ности пород и обоснование мер борьбы с горными ударами на рудниках Кольского полуострова" (1981-1935гг.).

Автор выражает искренне» благодарность всем сотрудникам лаборатории института и работникам предприятий, которые оказали внимание и содействие при выполнении работы.