Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 12
1.1. Геологические, горнотехнические и геомеханические условия отработки железорудных месторождений Западной Сибири 12
1.2. Общие представления о механизме формирования горных ударов 35
1.3. Оценка состояния массива горных пород. Способы приведения массива горных пород в неудароопасное состояние 38
1.4. Современное состояние геотехнологии ведения горных работ на больших глубинах 47
1.5. Развитие геотехнологии добычи руды на месторождениях Горной Шории и Хакасии 56
2. Теоретическая оценка влияния выемки рудных участков и блоков на характер распределения напряжений в массиве горных пород на месторождениях Горной Шории и Хакасии 61
2.1. Методика исследований 61
2.2. Исследование характера распределения полей напряжений при выемке рудных участков и блоков на месторождениях 66
2.2.1. Формирование зон концентрации напряжений при отработке слепых рудных тел на Юго-Восточном и Северо-Западном участках Таштагольского месторождения 66
2.2.2. Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке северного фланга Восточного участка Таштагольского месторождения 81
2.2.3. Оценка состояния массива горных пород при отработке сближенных рудных участков на месторождениях 88
2.2.3.1. Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при отработке сближенных рудных участков на Шерегешевском месторождении 89
2.2.3.2. Исследование влияния отработки блоков в сближенных рудных телах на распределение напряжений во вмещающем массиве горных пород на Абаканском месторождении 93
2.2.3.3. Исследование распределения напряжений в породном целике между участками Восточный и Юго-Восточный Таштагольского месторождения 96
2.3. Выводы 99
3. Экспериментальные исследования геодинамического состояния породного массива при ведении горных работ на железорудных месторождениях, склонных и опасных по горным ударам 102
3.1. Методика экспериментальных исследований 102
3.2. Экспериментальные исследования по установлению влияния горных работ на напряженно-деформированное состояние массива и интенсивность динамических явлений на месторождениях 108
3.2.1. Влияние отработки блоков на формирование зон концентрации динамических явлений и интенсивность их проявления на Таштагольском месторождении 108
3.2.2. Влияние отработки блоков на распределение динамических явлений на Шерегешевском и Абаканском месторождениях 136
3.2.3. Исследование процесса деформирования массива горных пород и определение потенциально опасных участков в шахтном поле 146
3.2.4. Определение влияния разрывных нарушений на формирование зон динамических явлений с различной сейсмической энергией 149
3.2.5. Исследование влияния объема выработанного пространства и скорости отработки блоков на состояние вмещающего массива при выемке слепых рудных тел Юго-Восточного и Подруслового участков на-Таштагольском и Шерегешевском месторождениях 157
3.2.6. Формирование зоны опорного давления на месторождениях при отработке блоков 160
3.3. Выводы 173
4. Исследование влияния крупномасштабной взрывной отбойки на интенсивность динамических явлений и качество дробления руды при разработке удароопасных месторождений 177
4.1. Определение критерия удароопасности при взрывании 178
4.2. Исследование влияния массовых и технологических взрывов массива горных пород на месторождениях 180
4.3. Совершенствование взрывной отбойки при обрушении блоков 193
4.4. Исследование влияния массы зарядов ВВ и интервалов замедления на сейсмическую энергию толчков и качество дробления горной массы 198
4.5. Выводы 209
5. Совершенствование схем и параметров геотехнологии освоения удароопасных железорудных месторождений Западной Сибири 212
5.1. Разработка и обоснование схем и параметров геотехнологии отработки рудных участков на месторождениях при переходе горных работ на нижележащие горизонты 213
5.1.1. Разработка схем и параметров геотехнологии отработки рудных участков на Таштагольском месторождении 213
5.1.2. Разработка схем и параметров геотехнологии отработки рудных участков на Абаканском месторождении 224
5.1.3. Разработка схем и параметров геотехнологии отработки месторождения Одиночного 238
5.2. Обоснование параметров конструктивных элементов геотехнологии разработки удароопасных железорудных месторождений 244
5.3. Обоснование конструктивно-технологических параметров геотехнологии * 268
5.3.1. Определение объёма капитальных работ 273
5.3.2. Определение объёма подготовительно-нарезных работ 279
5.3.3. Определение удельного объёма бурения скважин при изменении высоты этажа 285
5.3.4. Потери и разубоживание руды при различной высоте этажа 287
5.3.5. Исследование параметров обнажений горных пород 292
5.3.6. Определение толщины потолочины под компенсационными камерами 297
5.3.7. Определение величины межблокового целика 297
5.3.8. Обрушение блоков на ограниченное компенсационное пространство 299
5.3.9. Параметры зарядов ВВ 3 04
5.4. Выводы 304
Заключение 306
Литература 310
Приложение
- Оценка состояния массива горных пород. Способы приведения массива горных пород в неудароопасное состояние
- Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке северного фланга Восточного участка Таштагольского месторождения
- Влияние отработки блоков на распределение динамических явлений на Шерегешевском и Абаканском месторождениях
- Исследование влияния массовых и технологических взрывов массива горных пород на месторождениях
Введение к работе
Актуальность темы. Железорудные месторождения Западной Сибири располагаются в регионах современной тектонической активности недр. Происходящие в массиве горных пород природные геодинамические процессы влияют на безопасное состояние горных выработок и всего горнодобывающего производства. На массив горных пород оказывает существенное влияние техногенное воздействие, формируемое выемкой запасов с массовым обрушением руды. Концентрация напряжений на отдельных участках в массиве приводит к возникновению динамических явлений различной интенсивности.
Вследствие этого повышаются требования к геотехнологии добычи железных руд в условиях действия природных и техногенных факторов. Эта проблема имеет множество аспектов, из которых в меньшей степени изучены такие стороны, как использование особенностей геотехнологии, включающей разработку и обоснование схем отработки рудных тел, параметров конструктивных элементов систем разработки и буровзрывных работ с обеспечением управления геомеханическими процессами в удароопасных условиях с повышением безопасности, эффективности ведения очистных работ и использования ресурсов земных недр.
Цель работы — разработка и обоснование рациональных схем и параметров геотехнологии освоения железорудных месторождений в условиях активных геодинамических проявлений для повышения эффективности и обеспечения безопасности горных работ.
Идея работы — использование установленных закономерностей формирования зон концентрации напряжений и динамических явлений в массиве на границах выработанных пространств в условиях действия высоких горизонтальных напряжений для обоснования схем и параметров последовательной выемки слепых и сближенных рудных тел.
Задачи исследований:
— исследовать влияние отработки рудных участков и блоков на формирование зон повышенных напряжений, концентрации динамических явлений и опорного давления при освоении удароопасных железорудных месторождений Западной Сибири;
— исследовать влияние объема выработанного пространства и скорости ведения очистных работ в слепых рудных телах на сейсмическую энергию динамических явлений;
— исследовать влияния крупномасштабной взрывной отбойки на качество дробления руды и интенсивность динамических явлений;
— разработать и обосновать рациональные схемы отработки рудных участков при переходе горных работ на нижележащие горизонты;
— обосновать параметры конструктивных элементов геотехнологии разработки удароопасных железорудных месторождений, опасных по динамическим проявлениям.
Методы исследований включают анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта, комплексных горно-геологических и геотехнологических исследований, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях с применением численных методов, статистической обработки и анализа экспериментальных данных в массиве с использованием геофизических методов измерений, аналитических исследований полей напряжений рудных месторождений, технико-экономического анализа результатов исследований.
Основные защищаемые положения:
— в слепых и сближенных рудных телах в условиях повышенных горизонтальных напряжений (3 5 Н) при последовательной выемке блоков системами разработки с обрушением руды после массовых взрывов в районе днищ блоков возникают микроудары и горные удары с сейсмической энергией от 105 до 108 Дж, в кровле и бортах выработанного пространства происходят толчки с энергией от 102 до 104 Дж; зоны концентрации напряжений удалены от границ выработанного пространства в днище и бортах блока на расстояния до 100 м, в кровле - 150 м;
— при нисходящей отработке крутопадающих рудных тел в условиях повышенных горизонтальных напряжений на глубине 600-900 м в районе выработок днища вводимого в эксплуатацию этажа формируются зоны концентрации напряжений на расстояниях от 20 до 60 м, которые зависят от мощности рудного тела, угла внутреннего трения и сцепления горных пород;
— при отработке слепых рудных тел удароопасность вмещающего массива горных пород характеризуется скоростью изменения объема выработанного пространства, равного отношению суммарного приведенного радиуса выработанного пространства ко времени между массовыми взрывами, в пределах от 0,022 до 0,1 м/сут;
— качественное дробление руды со снижением суммарной сейсмической энергии динамических явлений достигается сочетанием взрываемых вертикальных концентрированных и пучковых сближенных зарядов при соотношении массы ВВ 1:3 и удельным расходом ВВ на отбойку от 0,5 до 0,6 кг/т;
— параметры геотехнологии и конструктивные элементы системы разработки в условиях удароопасности месторождения должны определяться до проведения комплекса выработок в днище блока с учетом расположения зон концентрации напряжений и развития динамических явлений в массиве горных пород при массовом взрыве.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается многочисленными и длительными комплексными измерениями в натурных условиях напряженно-деформированного состояния массива горных пород на рудных месторождениях; сопоставимостью данных аналитических расчетов с фактическими данными, полученными инструментальными методами; результатами теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований, обработанных методами математической статистики; положительным опытом внедрения предложенных технических и технологических решений с обеспечением безопасности и эффективности ведения горных работ.
Научная новизна:
— установлены закономерности формирования в условиях повышенных горизонтальных напряжений равных 3-5 Н, зон концентрации динамических явлений в районе выработанного пространства и их перемещения при последовательной выемке блоков системами разработки с обрушением руды;
— определены закономерности распределения зоны максимальных напряжений в опорном слое в районе выработок днища вводимого в эксплуатацию этажа при отработке крутопадающих рудных тел на глубине от 600 до 900 м в условиях действия высоких горизонтальных напряжений в природном поле, которые зависят от мощности рудного тела, угла внутреннего трения и сцепления горных пород с учетом роста объема выемки рудных запасов;
— установлена зависимость для определения скорости отработки слепых рудных тел, равная отношению суммарного приведенного радиуса выработанного пространства ко времени между массовыми взрывами, и скорость, при которой происходит снижение выделяемой сейсмической энергии динамических явлений при отработке блоков на месторождениях;
— определено соотношение массы вертикальных концентрированных и пучковых сближенных зарядов и удельного расхода ВВ в блоках при крупномасштабной взрывной отбойке, обеспечивающие качественное дробление руды со снижением сейсмической энергии толчков;
— предложены технологические схемы отработки удароопасных месторождений, учитывающие местоположение зон концентрации напряжений и динамических явлений в опорном слое, обеспечивающие снижение затрат на подготовительно-восстановительные работы;
— разработан способ отработки слепых и сближенных рудных тел, обеспечивающий за счет взрывания основного массива блока до проведения комплекса выработок в днище блока снижение сейсмической энергии динамических явлений;
— предложена методика расчета конструктивно-технологических параметров геотехнологии, учитывающая условия взаимного действия элементов системы разработки с обрушением руды и выработанного пространства под действием зон концентрации толчков и опорного давления.
Личный вклад автора состоит: в обобщении исходной геомеханической информации о железорудных месторождениях Алтае-Саянской сейсмоактивной горной области и изучении влияния действия природных и техногенных факторов; в выявлении основных закономерностей перераспределения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород при отработке очистных блоков; в разработке и обосновании рациональных схем и параметров геотехнологии освоения месторождений; в определении параметров технологического процесса крупномасштабной взрывной отбойки и выявлении области эффективного применения геотехнологии при освоении железорудных месторождений в Западной Сибири.
Практическая значимость работы заключается в: разработке технологических схем и параметров геотехнологии освоения железорудных удароопасных месторождений Западной Сибири, включая увеличение объема добычи руды и безопасность работ при последовательной крупномасштабной взрывной отбойке блоков в слепых и сближенных рудных телах в условиях высоких горизонтальных напряжений, формирования зон концентрации динамических явлений и опорного давления в массиве, включая методики расчета конструктивных элементов систем разработки и определения местоположения удароопасных участков на месторождении.
Реализация работы в промышленности
Подтверждением актуальности, научной и практической значимости работы, выполненной автором, является включение ее в фундаментальные научно-технические программы РАН: «Современные геодинамические поля и процессы, вызванные техногенной деятельностью», «Теория разработки месторождений полезных ископаемых и комплексная переработка минерального сырья на основе ресурсо- и энергосберегающих технологий», «Проблемы комплексного освоения недр Земли и новые технологии извлечения полезных ископаемых из минерального и техногенного сырья» по разделам «Исследование природных и техногенных явлений в верхней части земной коры», «Теория освоения месторождений твердых полезных ископаемых» и «Разработка месторождений полезных ископаемых и комплексная переработка минерального сырья на основе ресурсо- и энергосберегающих экологически безопасных технологий».
Диссертация выполнена в соответствии с планами НИР ИГД СО РАН и научно-технической программы «Сибирь», в рамках научной школы академика РАН М. В. Курлени (НШ 2273.2003.5, 5974.2006.5, 1534.2008.5), при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 99-05-64371, 02-05-64240, 01-05-79010, 02-05-79183, 04-05-49020), гранта фонда содействия отечественной науке в номинации «Кандидаты и доктора наук» 2006, 2007 гг., по отделению «Науки о Земле» и молодежного гранта СО РАН имени академика М. А. Лаврентьева 2006-2007 гг.
Результаты исследований использованы при составлении технических проектов ОАО «Сибгипроруда» и ОАО «Евразруда» на отработку блоков и рудных участков на месторождениях. При участии автора подготовлены заключения и рекомендации по вопросам геомеханической оценки отрабатываемых рудных участков, разработки и обоснования рациональных схем и параметров геотехнологии освоения рудных месторождений.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на Международных научных конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2001, 2003, 2005 -2007, 2010 гг.); на Международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2001, 2005 - 2009 гг.); Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2002, 2004-2010 гг.); на Международных конференциях «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Пермь, 2001 г.); на научно-технической конференции «Научно-технический прогресс — основа развития Шерегешского рудника» (Шерегеш, 2002 г.); на III-V на Международных научных конференциях «Физические проблемы разрушения горных пород» (Абаза, 2002 г., Москва, 2004 г., Санкт-Петербург, 2006 г., Далянь-Китай, 2009 г.); The 6th International symposium on rock burst and seism city in mines proceedings (RaSim6) «Controlling seismic Rick», (Perth, AUSTRALIA, 2005 г.); Impact of Human Activity on the Geological Environment — International symposium of society for rock mechanics (EUROCK 2005, BRNO, Czech republic, 2005 г.); на Международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук», посвящ. 60-летию образования Горно-геологического института СО АН СССР — ИГД СО РАН (Новосибирск, 1-5.11.2004 г.); на научно-технической конференции «Проблемы снижения риска и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций и технологического характера на территории Сибирского региона», «Сиббезопасность – Спассиб» (Новосибирск, 2006 г.); на IV российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (Кемерово, 2006 г.); The First Asian-pacific symposium on Blasting Techniques (APS Blasting 1). Kunming, China, 2007 г.; 21st Word Mining Congress & Expo, Poland 2008 г.; 1st Souther Hemisphere International Rock Mechanics Symposium. — SHIRMS Australia 2008 г., на заседаниях комиссий по горным ударам ОАО «Евразруда» (г. Новокузнецк, 2002-2010 г.г.).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 63 работах, в том числе в 3 монографиях, 28 статьях, рекомендованных ВАК РФ, 28 статьях в прочих изданиях, 4 патентах РФ.
Объем и структура диссертации
Оценка состояния массива горных пород. Способы приведения массива горных пород в неудароопасное состояние
Массивы горных пород представляют собой различные среды, отличающиеся высокой степенью однородности свойств. Оценка состояния горных выработок требует учета реакции массивов как в виде деформирования, так и виде разрушения; при этом следует определять закономерности процессов комплексного разрушения [30-32].
Горные удары классифицируют по месту их проявления: в краевой зоне выработок, в целиках, в глубине массива или в глубине отработанного пространства [33], при этом важная роль в формировании динамических явлений принадлежит характеру распределения напряжений в массиве вокруг подготовительных и очистных выработок [34, 35].
Горному удару присуще быстрое возникновение области, трещин в неравномерно перемещающихся отдельных участках массива пород в местах концентрации напряжений [36]. Большое значение имеет скорость нагруже-ния угольного пласта [34, 37]. Механическая система — "разрушающийся объем угля или породы" после достижения максимально возможной нагрузки теряет равновесие вследствие превышения притока энергии из окружающих пород над затратами ее на самообрушение. Избыток энергии идет на кинетическую энергию разлетающихся кусков, на сейсмическое колебание и образование воздушной волны. Важная роль в возникновении горных ударов отводится тектоническим движениям. Разработан алгоритм определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности между относительными смещениями контактирующих поверхностей и возникающими в них напряжениями [38].
Горный удар возникает также в том случае, когда в результате опережения напряжениями деформаций на отдельных участках земной коры произойдет мгновенный переход потенциальной энергии в работу при напряжениях, превышающих предел упругости горных пород [39].
При нагружении породы до предела ее прочности возникновение горного удара наиболее вероятно и протекает он подобно цепной реакции [40]. Основным условием возникновения динамических явлений следует считать склонность породы в массиве к упругому деформированию и хрупкому разрушению под действием напряжений [41]. С уменьшением прочности пород при небольшой глубине разработки может произойти горный удар. При этом важную роль играют хрупкие породы, в которых при критических нагрузках быстро образуются трещины. Чем больше доля упругой энергии, накопленной в породе перед разрушением, тем реальнее опасность внезапного ее высвобождения в виде хрупкого разрушения. Формирование горных ударов в массиве горных пород происходит за-счет накопления напряжений в,боковых породах, действующих по простиранию месторождения [42].
Определена взаимосвязь между горными ударами и землетрясениями, которая объясняется резонансными увеличениями амплитуд колебаний в массиве, которые создают благоприятные условия для инициирования динамических явлений [43]. Установлена связь между горными ударами и взрывами [44], которая объясняется увеличением площади обнажений при взрывах, снижением бокового отпора, перераспределением напряжений и высокой концентрацией напряжений. Так, импульсом к проявлению горного удара на Северо-Уральском бокситовом месторождении послужили также взрывные работы при проведении выработок в районе ствола [45].
Анализ показал, горные удары формируются в результате тектонической нарушенности массива горных пород; сил гравитационного и тектонического происхождения; поля напряжений; особенности распределения напряжений в массиве горных пород и в зонах опорного давления; дополнительного поля напряжений при ведении горных работ; увеличения доли упругой энергии в массиве; мгновенного устранения условий всестороннего сжатия; несоответствия деформаций и напряжений; скорости нагружения массива горных пород; размеров образующихся полостей и энергии взрывов и др.
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых осложняется большим многообразием проявлений процесса сдвижения горных пород. Особенности развития процесса сдвижения на месторождениях, одной из которых является обязательное образование зон обрушения, обусловлены параметрами рудных тел, применяемой технологией разработки и свойствами вмещающих пород [46].
Современные представления о процессе сдвижения горных пород на рудных месторождениях изложены в работе [47, 48] и действующих правилах охраны сооружений горнодобывающих регионов страны [49-51]. Большой вклад в установление механизма сдвижения горных пород внесли экспериментальные исследования [52, 53]. Развитие науки и практики сдвижения горных пород освещены в работах Батурина И. М., Аверши-на С. Г., Казаковского Д. А. [52-55].
Случаи аномального сдвижения горных пород и земной поверхности неоднократно наблюдались на Таштагольском руднике [56]. Выявлены горизонтальные смещения реперов в сторону, противоположную отрабатываемым рудным телам, при этом регистрировались горные удары. Выявлена взаимосвязь процессов сдвижения пород с проявлениями горного давления в динамической форме. Влияние тектонического поля напряжений на сдвижение пород рассмотрено в работах [57-61]. Анализ результатов наблюдений за сдвижением земной поверхности и массива горных пород в шахтах позволил выявить связь движения земной поверхности с напряженным состоянием массива.
Одной из проблем является установление зон сдвижения в породном массиве, возникающих в нем под влиянием комбинированной отработки месторождений полезных ископаемых [60, 62].
В результате исследования причин появления «обратных» смещений Сашуриным А. Д. сделаны следующие выводы [63, 64]: векторы горизонтальных сдвижений земной поверхности могут иметь различное направление; первоначальное НДС массива пород является основным фактором, определяющим величину, характер и особенности развития горизонтальных сдвижений земной поверхности при разработке рудных месторождений. Накопленный материал по сдвижению горных пород и современный уровень знаний о напряженном состоянии массива, дающий возможность рассматривать сдвижения и деформации, как составную часть единого процесса изменения НДС под влиянием очистных работ и динамических нагружениях. Выявленная взаимосвязь процессов деформирования горных пород с динамическими явлениями свидетельствует также о возможности разработки рациональных схем и параметров отработки блоков на железорудных месторождениях.
Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке северного фланга Восточного участка Таштагольского месторождения
Картина распределения напряжений сгх, ету и тмах в массиве горных пород на момент отработки блоков №№ 4 гор. (-140) - - (-70) м и 6 гор. (-210) - -(-70) м представлена на рис. 2.25.
Формирование напряженного состояния массива горных пород после отработки блока № 4 характеризуется некоторым увеличением (не более 5%) значений сжимающих горизонтальных усилий в кровле камеры и ее днище. При этом массив между камерой и выработанным пространством разгружается от горизонтальных напряжений. Область повышенных вертикальных напряжений (смыкающиеся изолинии о"у вблизи угла выработанного пространства потолочины камеры) после отработки блока № 4 значительно уменьшается. В днище камеры и в потолочине действуют тмах, значительно снижающиеся после отработки блока.
После выемки блоков №№ 3 и 2 их борта разгружаются от действия горизонтальных напряжений: исключение — массив в окрестности вертикальной границы блоков и выработанного пространства, где сохраняются зоны концентрации ах. В этой же области наблюдается действие повышенных сгу. Зоной действия повышенных т Мах является днище камер (рис. 2.26). При отработке блоков №№ 5 и 4 массив в основном разгрузился, кроме вмещающих горных пород в днище блока № 4 на гор. —210 м (рис. 2.27).
Таким образом, использование метода математического моделирования для оценки напряженно-деформированного состояния горных пород позволили получить ряд результатов: при наличии камеры № 4 гор. (—210) -(—140) м наблюдается рост напряжений в кровле и днище камеры, а также в массиве блоков №№ 5 и 4 гор. (—210)- -(—140) м; отработка блока № 5 гор. (—210) -(- 140) м приведет к увеличению напряжений в массиве блока № 4 гор. (— 210)—(—140) м; последовательная выемка блоков №№ 4 и 3 гор. (-140)- (-70) м и блоков №№ 5 и 4 приводит к снижению напряжений в областях массива горных пород на контакте разделительного целика с выработанным пространством.
При отработке участка от центра к флангу происходит формирование зон концентрации повышенных напряжений в районе подсечки и днищ отрабатываемых блоков, местоположение центра зон совпадает с расположением зоны опорного давления. На границе днищ блоков и массива наблюдаются наибольшие величины напряжений (сжимающие до -160 МПа, касательные до 40 МПа). Глубина распространения зон повышенных напряжений (сжимающих — 100 МПа, касательных — 15 МПа) составляет от 50до 150 м и более от границ днищ блоков и контакта горных пород с зажатой средой.
Проведены исследования с использованием метода математического моделирования по геомеханической оценке состояния массива горных пород при одновременной отработке участка и охранного целика. В настоящее время на Таштагольском месторождении интенсивно отрабатывается участок Восточный системой этажного принудительного обрушения.
Для увеличения производительности и качества извлекаемой руды ведутся проектные работы на отработку охранного целика под рекой на участке Восточный. Отработку запасов охранного целика планируется производить технологией с заполнением выработанного пространства твердеющими смесями. Система разработки этажно-камерная. На границе охранного целика со стороны запасов, отрабатываемых с обрушением, оставляется временный разделительный целик, позволяющий сформировать в зоне охранного целика искусственный барьерный целик (приложение 1).
Целью исследований является установление значений напряжений в охранном целике (барьерном и разделительном рудном) и определение зон концентрации повышенных напряжений. При отработке рудных запасов в охранном целике (в барьерном и разделительном рудном целике) на примере выемки блока № 01 (4 камеры) по простиранию месторождения напряжения
При последующей отработке блоков № 1, 02, 03 (1-5 камер) по простиранию месторождения напряжения ах, оу и т мах во вмещающем массиве и
разделительном рудном целике возрастут в 1,5-2 раза, особенно на контактах целика с выработанным пространством. В лежачем и висячем боку месторо- ждения во вмещающем массиве ах, ту и т мах увеличиваются от -25 до -35, от 15 до 25 МПа (приложение 2).
При отработке сближенных участков на месторождениях интерес представляют теоретические исследования по оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород находящегося между участками или рудными телами. Если расстояния небольшие между участками данный массив является целиком, и в нем формируются зоны повышенных напряжений. Определение местоположения и объемов этих зон позволит, на стадии проектирования горных работ совершенствовать параметры геотехнологии, чтобы уменьшить динамическое воздействие на массив горных ударов.
На месторождениях при выемке сближенных рудных тел между участками часто формируются зоны повышенной концентрации напряжений, которые оказывают влияние на геомеханическое состояние массива в районе технологических блоков, что требует изменения порядка отработки блоков и конструктивных параметров геотехнологии. Для выявления зон повышенных напряжений методом математического моделирования выполнены расчеты по определению напряжений во вмещающем массиве горных пород при отработке сближенных рудных участков на месторождениях.
На Шерегешевском месторождении основными участками по добычи руды являются Главный и Болотный. Фронт ведения очистных работ на участке Главный приближается к ранее отработанным блокам на участке Болотный. Отработка участка производится в сложных геомеханичёских условиях.
Зоной концентрации наиболее опасных напряжений является область рудного и вмещающего массивов, расположенная между выработанными пространствами участков Главный и Болотный [240, 241].
Моделирование напряженного состояния массива горных пород в этаже +325+- +255-м участка Главный позволило определить зоны концентрации. повышенных напряжений и рекомендовать порядок отработки блоков в рудном теле и изменение параметров геотехнологии.
После обрушения блока № 14 дальнейшее развитие очистных работ возможно по двум вариантам: I вариант - а) отбойка блока № 13, б) отбойка блока № 12; II вариант - а) отбойка части блоков № 13 и № 12, граничащей с обрушенными породами участка Болотный, б) отбойка второй части блоков № із и № 12 (рис. 2.30).
Влияние отработки блоков на распределение динамических явлений на Шерегешевском и Абаканском месторождениях
Результаты экспериментальных исследований по определению НДС массива с использованием различных методов контроля в процессе ведения горных работ должны подтверждать ранее проведенные теоретические исследования. На стадии проектирования при разработке параметров и конструктивных элементов геотехнологии отработки месторождений предлагаемых систем разработки необходимо учитывать результаты теоретических и экспериментальных исследований. Закономерности формирования- зон концентрации динамических явлений и зоны опорного давления позволяют корректировать параметры геотехнологии и разрабатывать профилактические мероприятия по снижению удароопасноти, что повысит эффективность и безопасность ведения горных работ при отработке месторождений на больших глубинах. Экспериментальные исследования при разработке железорудных месторождений проводятся длительное время, поэтому полученные данные следует использовать при проектировании и последующей отработке участков схожих по горно-геологическим, геомеханическим и горнотехническим условиям на месторождениях Западной Сибири и других регионов.
Практика ведения горных работ требуют непрерывного во времени контроля напряженно-деформированного состояния массива для определения мест возникновения сейсмических и динамических явлений больших энергетических классов, а также за концентрацией динамических явлений и формированием зоны опорного давления. Необходимость такого контроля следует из современных представлений о деформировании и разрушении материалов, согласно которой процесс разрушения представляет собой постепенное накопление трещин и идет в пространстве и времени при любой нагрузке, если ее действие продолжительное [242-247]. Методы глубинных реперов и электрометрии связаны с дискретными замерами параметров, характеризующих механическое состояние среды, и требуют непосредственного присутствия человека с соответствующей аппаратурой в шахте. В некотором смысле альтернативой им может служить метод микросейсмического мониторинга. Данная технология t позволяет отслеживать изменения состояния массива горных пород во времени и является основным методом прогноза крупных разрушений на рудных месторождениях.
Микросейсмический контроль над состоянием массива на месторождениях осуществляется сейсмостанцией «Таштагол» с сейсмокомплексом на Таштагольском и Шерегешском рудниках (рис. 3.1). В пределах шахтного поля Ташатагольского месторождения установлена сеть сейсмопавильонов, сообщающаяся кабельными линиями с сейсмостанцией [242-251] . Сейсмопа-вильон представляет собой небольшое закрытое помещение, в центре которого находится бетонная горизонтальная подложка с установленными на ней датчиками СМ-З-КВ. В пределах шахтного поля Таштагольского месторождения работает 10 сейсмопавильонов: один на поверхности (в районе сейсмо-станции) и 9 в шахте на гор. -70, -140, —210, -280 и -350 м.
С вводом в отработку Юго-Восточного участка Таштаголького месторождения сеть датчиков расширилась, было добавлено еще три на данном участке. Структурная схема автоматизированной системы микросейсмического мониторинга включает 7 павильонов, подземные блоки телеметрической аппаратуры, блок сбора телеметрической информации и др., что позволяет объединить сейсмокомплексы Таштагольского и Шерегешевского месторождений в единую систему и получить качественно новые возможности по сейсмическому контролю потенциально опасных зон в подземных выработках (рис. 3.2).
Датчики СМ-З-КВ регистрируют упругие волны, излучаемые при образовании трещин (микросейсмические события). Затем с помощью специальной аппаратуры происходит модуляция сеисмосигналов для их передачи по кабелю. С кабельных линий на сейсмостанции получают высокочастотный модулированный сигнал, который поступает на усилительный каскад и демодулятор «Аппаратуры селекции и накопления сейсмических сигналов» (АСН-7, 32-разрядная). Исходные сигналы поступают на персональный компьютер, где, используя записи с нескольких датчиков, с помощью специальной программы решается система нелинейных уравнений и определяется место и время возникновения события. Полная длительность сейсмических колебаний (г) оценивается по сейсмопункту, наиболее близкому к очагу события. Выделившаяся при возникновении динамического явления энергия Е определяется по формуле [29]:
Запись отдельных, наиболее сильных сигналов, осуществляется с некоторым ограничением по длительности и по амплитуде, исходя из технических возможностей АСН и принятой методики сбора» и обработки информации. Для полной записи таких сигналов, а также для записей сейсмических событий, происходящих за пределами рудного тела (в.том числе, удаленных на значительное расстояние), привлекалась аппаратура Алтае-Саянской опытно-методической сейсмологической экспедиции (АНЗ «Байкал»), установленная на сейсмостанции «Таштагол».
Замеры методом подземного электрометрического зондирования (ПЭЗ) производятся при проходке подготовительных и капитальных выработок, а также при нарезке и отработке блоков. Центры замеров ПЭЗ выбираются согласно планам горных работ. Электрометрические измерения производятся по симметричной 4-х электродной схеме АММВ аппаратурой АНЧ-3 с использованием переносных (прижимных) реперов-электродов.
Прижимные электроды выполняются в виде чашечек, закрепляемых на электроизоляционных рукоятках и заполняемых поролоном, пропитанным раствором соли.
Замеры производятся по следующей схеме. Приемные электроды ММ устанавливают на расстоянии 0,4 м друг от друга. На равном расстоянии от них устанавливаются питающие электроды. Величины, разносов при-ПЭЗи электрометрический коэффициент Кр, учитывающий влияние выработки и геометрические размеры установки.
Измерения осуществляются переносной измерительной линией с использованием прижимных электродов. Центры замеров ПЭЗ выбираются согласно планам горных работ. Периодичность замеров определяется согласно квартальным планам. При появлении признаков удароопасности до снятия напряжения в данном районе замеры повторяются ежесуточно.
Исследование влияния массовых и технологических взрывов массива горных пород на месторождениях
Проведены экспериментальные исследования при обрушении блоков на Абаканском, Шерегешевском и Таштагольском месторождениях Хакасии и Горной Шории [47, 253-258, 271, 287-290]. Разработка запасов на месторождениях предусматривает разделение рудного тела на этажи высотой 60-80 м, которые делятся на панели шириной-27-54 м, причем их длина равна мощности рудного тела. При подготовке этажа к отработке проходят два полевых откаточных штрека и орты через .27-30 м. Выпуск, доставку и погрузку руды ведут установкамиВДПУ-4ТМ.
Обрушение массива производили одновременно на зажатую среду и компенсационные камеры или только на зажатую среду пучками сближенных зарядов взрывчатого (ВВ) вещества и вертикальными концентрированными зарядами (ВКЗ). В течение года осуществляется более 60 массовых и технологических взрывов с сейсмической энергией, равной 105-109 Дж, и эквивалентом по ВВ 15-200 т и более [254]. Удельный расход ВВ на отбойку колеблется от 0,4 до 1,12 кг/т. Линия наименьшего сопротивления (ЛНС) пучковых сближенных зарядов на зажатую среду и компенсационные камеры изменяется от 4 до 7,5; по ВКЗ — от 7 до 12 м. Коэффициент сближения зарядов равен 1,1-1,2. Количество сближенных скважин (диаметром 105 мм) в пучках колеблется от 6-9 до 16, ВКЗ — от 2 до 12 шт. Сечение ВКЗ от 0,5 до 4,6 м , масса заряда ВВ от 8 до 37 т и более. Зарядные полости выполняются на всю высоту блока, площадь восстающей выработки для размещения заря-да ВВ и инертных промежутков в среднем составляет 1 м . Забойка в ВКЗ находится в нижней части блока на почве выработки подсечного горизонта; в верхней части ВКЗ оставляется породный целик, который препятствует проникновению продуктов взрыва в буровые выработки. При проведении восстающих выработок измерялись размеры сечения полости разработанным устройством, состоящим из двух измерительных маятников, размещенных в цилиндрическом корпусе.
Экспериментальные исследования показали, что эффективность взрывной отбойки определяется схемами взаимного расположения пучковых сближенных зарядов и ВКЗ в технологических блоках. Улучшение степени дробления горной массы достигается увеличением количества рядов зарядов от 3 до 7 при взрывании в первую очередь «пучковых сближенных зарядов со стороны зажатой среды и компенсационных камер, во вторую — ВКЗ в центральной части блоков (рис. 4.14).
На Абаканском месторождении обрушали блоки с пяти и семирядным расположением пучковых сближенных и ВКЗ на зажатую среду и компенсационные камеры. Запасы руды составляли более 1,2 млн т, масса ВВ в ВКЗ 33,7-37,7 т. Удельный расход на отбойку пучковыми сближенными зарядами изменялся от 0,47 до 0,5 кг/т ВКЗ — от 0 73 до 0,79. После выпуска всего объема горной массы удельный расход ВВ на вторичное дробление при се-мирядном расположении зарядов снизился с 0,079 до 0,063 кг/т.
Исследованиями установлено, что эффективность взрывной отбойки определяется схемами взрывания пучковых сближенных и ВКЗ в технологических блоках. Улучшение качества дробления горных пород при отбойке технологических блоков на зажатую среду и компенсационные камеры достигается инициированием пучковых сближенных и ВКЗ по волновой и поперечной схемам, а разрезных блоков — по диагональной схеме на три компенсационные камеры вкрест простирания рудных тел в направлении ориентировки максимальных сжимающих напряжений (рис. 4.15).
Установлено, что применение предложенных схем, взрывания» и интервалов замедления пучковых сближенных и ВКЗ при массовой отбойке руды позволяет снизить удельный расход ВВ на вторичное дробление горной; массы на-;20ч30%. Разработаны параметры буровзрывных работ прш системе: этажного принудительного» обрушения, которые: включают линию: наименьшего сопротивления; расстояния между зарядами; удельный; расход ВВ, степень дроблениями др.
Удельный расход ВВГ на отбойку рассчитывается по формуле: где кт,.= (WBK3 IW f — коэффициент масштаба взрыва (Щю — ЛНЄ ВКЗ; м; Wn — ЛНЄ;пучковых сближенных зарядов,.м); kf = Sp/Sp, —коэффициент формы обрушаемого? горного массива (Sp —площадь зоны разрушения при, взрывании ВКЗ! наї одну свободную поверхность, м ; Sp — площадь зоны разрушения1 при- наличии: нескольких, свободных поверхностей вокруг ВКЗ, м2); qh =6 \0t-а? -/{4000:+С)/G?-KH-Є — удельный; расход ВВ на отбойку пучковыми сближенными зарядами для? условий рудников; Горной Шории и- Хакасии,, кг/т [281]; (а - трещиноватость массива; — коэффициент крепости пород по Жротодьяконову; С — размер кондиционного куска, мм; Кн — выход негабарита; %; G — теплота взрывчатого превращения, ккал/кг);
Для? повышения эффекта- взрыва проведены экспериментальные взрывы» по изысканию рациональной конструкции ВКЗ [254]. Общий объем отбитой горной массы составляет более 3 млн т. Суммарная масса ВВ на взрывы в зарядах ВКЗ около 600 т. Удельный расход ВВ при взрывании блоков на зажатую среду и компенсационные камеры;колебался от 0,47 до 0,6 кг/т, в зарядах ВКЗ 0,73-1,37 кг/т. Масса зарядов,ВКЗ составляла 8-62 т (рис. 4.18). Конструкции зарядов ВКЗ включали рассредоточение воздушных и- инертных (опилки) промежутков, сосредоточенные, сплошные и расположенные вокруг инертной оболочки.
