Введение к работе
Актуальность проблемы. Экономическое и социальное развитие горнодобывающей промышленности требует интенсификации очистных работ на рудных месторождениях и полноты извлечения минерального сырья, что приводит к росту глубины и объемов выработанных пространств.
С образованием больших объемов пустот происходит сдвижение горных пород, негативными последствиями которого являются обрушения налегающей толщи с выходом на земную поверхность. В результате этого разрушаются промышленные объекты, жилые дома и сооружения,- что сопряжено с экономическим ущербом и нередко с опасностью для жизни людей.
В связи с этим возникает необходимость оценки текущего состояния подработанного массива и прогноза возможных обрушений с целью предотвращения их аварийных последствий. Как показывает практика, обеспечение прогноза обрушений традиционными методами, без рассмотрения процессов деформирования и разрушения массива горных пород на основе современных физических представлений, становится проблематичным.
Поэтому решение прогнозных задач должно базироваться на использовании современных методов и средств мониторинга, получивших свое значительное развитие в последние годы. Этому способствовали работы как отечественных, таге и зарубежных ученых. Следует отметить разрозненное применение для этих целей классических инструментальных геодезических методов и более оперативных автоматизированных систем приборного контроля.
Однако, до настоящего времени не установлены основные признаки обрушений и не выявлены закономерности развития этого динамического явления, считавшегося «внезапным», во времени и в пространстве.
чТаким образом учитывая исключительную сложность геомеханических процессов, протекающих в массиве горных пород месторождений на стадии их доработки, а также дефицит исходной информации об определяющих эти процессы факторах, разработка технологии мониторинга подработанного массива горных пород, обеспечивающей безопасность ведения горных работ и сохранность объектов на поверхности, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное социальное и народнохозяйственное значение.
Исследования, выполненные в данной работе, связаны с реализацией Программы «Концепция по дальнейшей безопасной и эффективной разработке Жезказганского месторождения» (утв. Минпромторгом РК 5.05.95) и мероприятий, предложенных Правительственной комиссией РК (Распоряжение Премьер-министра № 400-р от 23.08.96).
Цель работы состоит в разработке технологии мониторинга массива горных пород на стадии доработки рудных месторождений для предотвращения техногенных катастроф.
Идея работы заключается в использовании полученных мониторингом в режиме реального времени величин аномальных отклонений информативных признаков, вызванных изменениями состояния массива горных пород, для предсказания, предупреждения и предотвращения техногенных катастроф.
В соответствии с поставленной целью и идеей в диссертационной работе решаются следующие задачи:
выявить на основе ретроспективного анализа результатов наблюдений за деформационными процессами информативные признаки подготовки обрушений и установить характерные стадии их развития;
определить потенциально опасные по обрушениям зоны месторождения для организации на них наблюдений и контроля средствами мониторинга;
разработать методику оценки текущего состояния выработанного пространства на участках месторождения, входящих в опасные зоны;
определить технические средства мониторинга для регионального и детального прогноза обрушений;
выбрать программные средства обработки данных мониторинга r режиме реального времени; . .
разработать технологию мониторинга и на ее основе создать и внедрить систему сбора информации в режиме реального времени, позволяющую осуществить оценку и прогноз возможных обрушений;
проверить эффективность разработанной технологии мониторинга и адаптировать ее к условиям рудников Жезказгана.
Методы исследования. В работе при решении поставленных задач использовались методы механики горных пород, геодезии, сейсмологии, геофизики и математической статистики с использованием ПЭВМ для обработки информации, а также метод ретроспективного анализа результатов длительных экспериментальных наблюдений за деформационными процессами и метод экстраполяции.
Научные положении и результаты диссертации, выносимые на защиту:
-
Процессы деформирования и разрушения массива горных пород приводящие к обрушениям, развиваются во времени и в пространстве в три характерные стадии. Эти особенности позволяют использовать для прогнозирования обрушений комплексный мониторинг, включающий инструментальный, визуальный и приборный контроль.
-
Диагностика подработанного горными работами массива обеспечивается установлением прогностической значимости информативных признаков инструментального мониторинга, пространственно-временными изменениями которых оценивается величина области разрушения в массиве горных пород. Это позволяет выявить аномальные зоны месторождения, опасные пс обрушениям.
-
Повышение эффективности оценки и прогноза обрушений средствами мониторинга достигается за счет рассмотрения процессов деформирования и разрушения в больших и малых объемах массива горных пород во времени и совершенствования методов оценки состояния выработанных пространств. Этс
юзволяет заблаговременно прогнозировать возможные обрушения на опасных [О обрушениям зонах.
-
Стратегия оценки и прогноза состояния выработанного пространства редствами мониторинга заключается в последовательном переходе от искретных наблюдений к непрерывным наблюдениям и в комплексном нализе величин аномальных отклонений прогностических признаков с омощыо информационной системы, что позволяет краткосрочно и оперативно рогнозировать обрушения.
-
Безопасность ведения горных работ и сохранность объектов на оверхности обеспечивается непрерывным мониторингом массива горных ород, позволяющим снизить риск возникновения техногенных катастроф за чет своевременного их предсказания, предупреждения и предотвращения.
-
Условие безопасности выполнения промышленных взрывов беспсчивается непрерывным сейсмическим мониторингом за счет егламентирования фактического уровня колебаний для предотвращения азрушений поверхностных сооружений от сотрясений.
Научная новизна результатов работы:
выявлены причины, условия, размеры и место образования воронок на гмной поверхности, а также характерные стадии развития обрушений;
разработаны новые способы определения аномальных зон іесторождения, опасных по обрушениям;
впервые рекомендована схема для прогноза обрушений в пространстве и о времени по комплексу информативных признаков различных видов :ониторинга;
разработана методика оценки текущего состояния выработанного ространства для выявления опасных по обрушениям участков месторождения, озволяющая заблаговременно прогнозировать время их наступления;
создана информационная система для технологии мониторинга в режиме еального времени;
разработана технология мониторинга массива горных пород, ключающая технические и программные средства, комплекс арактеризующих состояние массива информативных признаков, систему сбора
обработки информации в режиме реального времени для предсказания, редупреждения и предотвращения техногенных катастроф;
- осуществлена оперативная процедура прогнозирования обрушений,
снованная на градации величин аномальных отклонений информативных
ризнаков мониторинга в режиме реального времени;
выполнена классификация участков месторождения по степени :тойчивости;
реализован круглосуточный оперативный контроль сейсмнки взрывов в нюне охраняемых сооружений для их защиты от интенсивных сотрясений;
оконтуриванием пространственных объемов месторождения по ^явленным критериям Епервые получен ряд важнейших прогнозных карт,
которые дают выход выполненным исследованиям для решения текущих задач горного производства.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются существенными результатами теоретических и экспериментальных работ автора, использованием разработанной технологии мониторинга массива горных пород, сходимостью экспериментальных зависимостей с фактическими данными маркшейдерских и визуальных наблюдений, положительной практикой прогнозирования обрушений на рудниках Жезказгана.
Личный вклад автора состоит в научном обосновании технологии комплексного мониторинга массива горных пород, в оценке текущего состояния массива горных пород и прогнозе возможных обрушений, во внедрении систем автоматизированного контроля 'и в получении ряда прогнозных карт обрушений для Жезказганского месторождения. Результаты исследований позволяют осуществлять стратегию доработки месторождений в сложных геомеханических условиях, снижая риск возникновения таких катастрофических явлений, как обрушение.
Научная и практическая ценность работы:
- осуществлен системный подход к решению проблемы наблюдения, оценки и прогноза состояния выработанного пространства с применением комплекса различных средств мониторинга;
обеспечены мониторинговое сопровождение добычи полезных ископаемых с целью предсказания, предупреждения и предотвращения техногенных катастроф и геомеханическое обоснование стратегии доработки рудных месторождений при:
а) составлении проектов переноса инженерных коммуникаций и:
выявленных предварительной диагностикой подработанного массиве
аномальных зон месторождений, опасных по обрушениям;
б) осуществлении классификации участков рудных месторождений пс
степени устойчивости;
в) текущем и перспективном планировании участков доработки рудны>
месторождений;
г) установлении первоочередных участков погашения выработанной
пространства обрушением.
Совокупностью результатов работы решена крупная научно-техническаї проблема - разработка технологии мониторинга массива горных пород обеспечивающая наиболее полное и безопасное извлечение минеральной сырья.
Реализация выводов и рекомендации работы. На основе разработок автора на Жезказганском месторождении внедрена технология непрерывной мониторинга массива горных пород.
Научные разработки использованы при составлении нормативно технических документов: «Временная методика оценки влияния сейсмикі промышленных взрывов на охраняемые объекты» (1996), «Методически
указания по погашению выработанных пространств управляемым самообрушением налегающих пород на Жезказганских шахтах» (1997), «Технологическая инструкция по повторной разработке Жезказганского месторождения подземным способом» (1998), «Временные методические указания по вьмвленшо ослабленных участков на рудниках АО «Жезказганцветмет» (1998), «Методические указания по зкспресс-оценке состояния выработанного пространства Жезказганского месторождения» (1999).
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на пленарных заседаниях Межведомственной комиссии по взрывному делу (Москва, 1984, 1985), научно-технической конференции «Эффективность и безопасность буровзрывных работ на карьерах и рудниках цветной металлургии» (Екатеринбург, 1986), Региональной конференции по научному наследию акад. О.А.Байконурова (Жезказган, 1992), Республиканской научно-технической конференции «Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского региона» (Жезказган, 1997), международной конференции по горной геофизике (Санкт-Петербург, 1998), научно-технической конференции, посвященной 100-летию академика К.И.Сатпаева (Жезказган, 1999), научно-практической конференции «Геотехнология на рубеже XXI века» (Новосибирск, май 1999), международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, октябрь 1999), научно-технических и координационных совещаниях АО «Жезказганцветмет» корпорации «Казахмыс» (1984-1999).
Публикации. Результаты выполненных исследований нашли свое отражение в 29 печатных работах и защищены 4 предпатентами РК и 2 патентами РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, 5 приложений, списка использованной литературы из 188 наименований и содержит 234 страницы машинописного текста, 63 иллюстраций и 20 таблиц.
8 (