Введение к работе
Актуальность работы. Основу экономики России и стран СНГ в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем составляют и будут составлять сырьеше отрасли промышленности,' включая горнодобывающую. Основной объем добычи будет приходиться на ныне действующие рудники с перспективой их дальнейшей реконструкции и углубки.
На ряде рудников добыча полезного ископаемого ведется в высоконапряженных массивах горных пород, что порождает горные удары, проявление которых весьма отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы предприятий, ведет к травматизму и гибели людей, деморализует горняков. В странах СНГ выявлено 62 месторождения склонных к горным ударам, на которых начальная глубина проявления горных ударов колеблется от 150 до 800 м. Малая глубина возникновения горных ударов в скальных массивах существенно меняет представление о напряженном состоянии верхней части земной коры. Требуется обоснование природы сил, порождающих эти грозные явления.
Исследованиями российских и зарубежных ученых установлено множество горно-геологических и горнотехнических факторов неоднозначно влияющих на удароопасное состояние скальных массивов. В связи с чем необходим индивидуальный подход к решению проблемы горных ударов на конкретном месторождении с учетом накопленного опыта на других месторождениях.
Проблема сорных ударов на урановых месторождениях стран СНГ возникла в начале 70-х годов. При их отработке зарегистрированы все виды горных ударов. Отмечается увеличение количество горных ударов в 2-3 раза с понижением горных работ на І00м. Своеобразие исследуемых урановых месторождений заключается в приуроченности их к разрывным нарушениям и у них, как правило, нет четкой границы между рудой и вмещающими породами, которая устанавливается по результатам опробования, что позволяет выработать единый подход к решению проблемы горных ударов при их разработке.
Рассматриваемая в диссертационной работе проблема предупреждения горных ударов при разработке крут'опадающих урановых месторождений на основе новых результатов натурных исследований
-A -
по оценке геомеханического состояния удароопасности массивов горных пород актуальна, как с научной, так и практической точек зрения.
На важную значимость решаемой в диссертации проблемы указывает тот факт, что Государственный комитет СССР по Науке и Технике в течений.трех пятилеток своими постановлениями N 56 от 03.03.1976, N 86 от 02.04.1981 и N 552 от 29.10.1989 гг. определял план работы на исследуемых нами месторождениях в союзной программе "Создание и внедрение эффективной и безопасной технологии ведения горных работ, систем автоматизированного прогноза удароопасности при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений и строительства подземных сооружений". Всего в рамках этих трех программ с 1975 по 1992 гг. автор принимал участие в выполнении 22 работ ВНИМИ, прошедших регистрацию в ВНТИЦентре в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя.
Целью, работы является установление геомеханических закономерностей определяющих удароопасность массивов пород в зоне и вне зоны влияния горных работ для разработки научно обоснованных способов предупреждения горных ударов при отработке крутопадающих урановых месторождений.
Идея работы состоит в использовании экспериментально установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива пород и его удароопасных свойств для разработки способов предупреждения горных ударов.
Задачи исследований:
- изучить природу сил, вызывающих горные удары при разработке крутопадающих урановых месторождений;
-выявить потенциально удароопасные породы с учетом их запредельных характеристик;
-определить влияние структуры массива и технологии ведения горных работ на проявления горных ударов;
-обосновать и разработать методики и критерии оценки степени удароопасности участков массива горных пород;
-разработать способы предупреждения горных ударов с учетом геомеханических параметров удароопасных массивов и пространственного расположения рудных тел.
Методы исследований. В работе для решения поставленных задач применен комплекс гео механических и геофизических шахтных и лабораторных исследований, с обобщением результатов методами математической статистики и корреляционного анализа, опыгно-промышленные испытания способов оценки степени удароопасности и управления удароопасным состоянием массива.
Основные научные положення, выносимые на защиту:
-природу сил, вызывающих горные удары при разработке крутопадающих урановых месторождений, составляют силы тектонического и гравитационного происхождения и их перераспределение, обусловленное структурными особенностями массива горных пород и технологией отработки рудных тел;
- удароопасность пород находится в прямой -зависимости от
соотношения модуля спада и модуля упругости при криволинейной
зависимости от их прочности, потенциально удароопасными
породами являются: граниты, альбитиіьі, щелочные сланцы,
роговики, кварциты, агломераговые туфы, андезитовые порфириты.
туфы андезитовых порфиритов и известняки;
-типовые условия возникновения . ч.юрных ударов преимущественно определяются величиной тектонических напряжений, структурными особенностями массива горных пород и технологией отработки рудных тел;
- методология оценки степени ударооиасносги учасіков массива
горных пород базируется на определении параметров
формирующегося очага горного удара в двух измерениях, с
удалением от обнажения в глубь массива и вдоль обнажения;
-повышение безопасности ведения горных работ, на участках месторождений, опасных по проявлению горных ударов, достигается за счет выбора порядка отработки рудных тел с учетом удароопасности вмещающих пород и взаиморасположения рудных тел. а параметры защищенной о і юрныч ударов зоны зависят одновременно от размеров вьірабоїанного пространства по простиранию ивкресі простирания защитною рудного і ела;
- параметры локальных способов предотвращения юрных
ударов определяется степенью удароопасности участков массива
назначением и взаиморасположением выработок.
Научная новизна работы:
-впервые установлены значения и ориеніиронка игавных
напряжений в неіронутом массиве горных пород. Максимальные
напряжения действуют в субгоризоніальной плоскости,
ориентированы в субмеридиональном направлении и в среднем превышают значения напряжений, обусловленные весом пород в 1,5-2.3 раза. Зависимость увеличения напряжений с глубиной явлжяся линейной;
- установлен критерий (Л.) определения склонности пород к
горным ударам, характеризующийся отношением модулей спада (М)
и упругости (Е), при Л= М/Е гЗ горные породы относятся к потенциально удароопасным:
_6-
-определен уровень напряженного состояния пород I отношению к их прочности, при котором массив пород имеюш* трещиноватость менее 8 мл проявляет повышенную удароопасноегь:
1) на контактах хрупких разновидностей пород;
2) на сопряжении крыльев горизонтальной синклинально
складки с ядром и в области его килевидного замыкания;
3) в области выступающей относительно средней плоскости шн
разлома;
- разработан способ оценки степени удаоопасности участков массива горных пород отличающийся тем, что наличие опасност возникновения горного удара признается когда 1-я или II-категории удароопасности регистрируются в пределах интервал; равного минимальному размеру формирующегося очага горног удара вдоль обнажения, зависимому от отношения расстояния д максимальных нагрузок к характерному размеру обнажения;
предложен способ разработки рудных тел, базирующийся н оценке удароопасности массива горных пород и установленно взаимосвязи геометрических параметров очистных пространств напряженно-деформированным состоянием пород. Информативны параметром при этом признан коэффициент формы, определяемы как отношение размера выработанного пространства вкрсс простирания к размеру по простиранию;
разработаны и реализованы схемы и параметры локальны мер предотвращения горных ударов в зависимости от степей удароопасности массива пород, назначения и взаиморасположени выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается:
- использованием при проведении натурных и лабораторны
исследований современных, широко апробированных методов
; аппаратуры;
длительными комплексными исследованиям
геомеханического состояния удароопасных скальных массивов пр разработке крутопадающих урановых месторождений стран СНГ;
сопоставимостью данных, полученных различным инструментальными и расчетными методами, с поведением массива натурных условиях;
- положительной практикой предупреждения горных ударов н
месторождениях "Антей", Желтореченском, Ватутииском,'Заозернои
Берикульском, склонных к горным ударам.
Личный вклад автора заключается:
в получении, обобщении, и статистической обработке результатов натурных и лабораторных исследований свойств и напряженно-деформированного состояния пород крутопадающих урановых месторождений России, Украины и Казахстана;
в разработке методики оценки степени удароопасносги участков массива горных пород;
-в установлении критериев оценки удароопасносги пород и участков массива;
- в обосновании и разработке региональных и локальных
способов управлення удароопасньш состоянием массива горных
пород.
Научное значение дассертзірїн состоит в установлении
закономерностей напряженно-деформированного состояния
удароопасных массивов горных пород при разработке крутопадающих урановых месторождений с учетом множества естественных и техногенных факгоров и разработке на их основе эффективных способов предупреждения горных ударов.
Практическая ценность работы:
выполнена оценка удароопасносги крутопадающих урановых месторождений стран СНГ;
разработаны методики, критерии и номограммы для оценки степени удароопасносги участков массива горных пород;
разработан способ управления удароопасным состоянием массива при отработке свит удароопасных рудных тел, а также комплекс локальных и региональных мер. с обоснованием их параметров, по приведению краевых частей массива в неудароопасное состояние.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в нормативно-методические документы межотраслевого, и регионального уровней;
-''Инструкция по безопасному ведению торных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам" (Л.,1980);
-"Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам" (Л., 1989);
Данные инструкции утверждены Госгортсхнадзором СССР и согласованы с Госстроем СССР, Минчерметом СССР, Минцветметом СССР. Минстроймагериалов СССР, Минудобрсний СССР. Минтяжсіроем СССР, Минэнерго СССР, Мингео СССР и ВЦСПС.
- "Указания по безопасному ведению горных работ на рудниках
организации п/я Р-6214, подверженных горным ударам" (Л., 1979);
_ с -
Каталог горных ударов на рудных и нерудных месторождениях (Л., 1986);
- "Указания по безопасному ведению горных работ на рудниках
организации п/я Р-621-4, подверженных горным ударам" (Л., 1985);
- "Указания по безопасному ведению горных работ на
Берикульском месторождении, склонном к горным ударам"
(Кемерово, 1993).
. Разработанные методы оценки степени удароопасности краевых частей массива и способы приведения массивов пород в неудароопаснос состояние используются в учебном процессе горного факультета Кузбасского Государственного технического университета.
Апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на Всесоюзных конференциях и<семинарах по горным ударам (Фрунзе, .1979; Североуральск, 1981); на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1977, 1982, 1984, 1986, 1990: Новосибирск-Екатеринбург, 1994); на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и технические средства контроля и прогнозирования проявлений горного давления на подземных рудниках цветной металлургии" (пос. Гай, 1979); на научно-практической конференции "Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства, открытых и подземных горных работ" (Кемерово, 1983); на всесоюзных семинарах "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (Фрунзе, 1987, Бишкек 1991); на международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций " (Москва-Пермь, 1995); на секции горных ударов и внезапных выбросов угля и газа ученого совета ВНИМИ (Ленинград, 1975-1992), кафедре РМПИ КузГТУ (Кемерово, 1996); на международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" (Екатеринбург, 1996).
Публикации.