Разработка методов прогноза проявлений горного давления при добычи руд на больших глубинах Корн Александр Викторович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ-ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 13

1.1. Методы определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород 14

1.2. Управление горным давлением при ведении горных работ на больших глубинах 19

1.3. Горно-технические условия разработки Мир-галимсайского месторождения 23

1.4. Результаты ранее проведенных на Миргалим-сайском месторождении исследований по изучению механических свойств и контролю напряженно-деформированного состояния массива горных пород 28

1.5. Постановка задачи исследования 35

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 38

2.1. Формы проявления горного давления на глубоких горизонтах Миргалимсайского месторождения 38

2.2. Анализ результатов сравнительных экспериментов по оценке напряженного состояния неоднородного массива горных пород геомеха-ническими и геофизическими методами 44

2.3. Исследования методом дифференциации сигналов акустической эмиссии, характера распределения напряжений в неоднородном массиве горных пород 68

Выводы 84

ГЛАВА Ш. РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ФОРМ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ НЕОДНОРОДНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ 85

3.1. Краткая горно-геологическая и горно-техническая характеристика экспериментального участка 85

3.2. Методика проведения и основные результаты экспериментов 88

3.3. Метод оценки напряженно-деформированного состояния по ускорению деформации. Граничные значения критериев контроля устойчивости неоднородного слоистого массива горных пород 99

3.4. Метод прогнозирования форм проявления горного давления на основе непрерывного контроля ускорений деформаций 114

Выводы 117

ГЛАВА ІУ. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗА И КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 119

4.1. Анализ закономерностей формирования зон опорного давления в условиях ведения горных работ на больших глубинах 119

4.2. Закономерности перераспределения горного давления при очистной выемке. Понятие

замкнутой системы 121

4.3. Определение вероятности нахождения элементов замкнутой системы в определенной

стадии устойчивости 126

4.4. Контроль состояния массива в замкнутой системе методом регистрации мгновенных деформаций системе 133

4.5.2. Определение характеристик процессов деформирования целиков в замкнутой системе 135

4.5.3. Типовые характеристики стадий устойчивости горного массива 141

4.5.4. Алгоритм контроля устойчивости горного массива в замкнутой системе 148

4.5.5. Прогноз формы проявления горного давления в замкнутой системе 152

Выводы 155

ГЛАВА У. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЕМ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ВЩЕІЇИИ ГОРНЫХ РАБОТ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ 157

5.1. Профилактические мероприятия при проведении передовых выработок 157

5.2. Способ разработки полезного ископаемого с оперативным контролем напряженно-деформированного состояния массива 166

5.3. Внедрение способа разработки полезного ископаемого с искусственным формированием

подсистем деформирования 176

5.4. Экономическая эффективность от внедрения методов прогноза проявлений горного давления при вторичной отработке запасов Пологого геологического блока 185

5.5. Экономическая эффективность от внедрения методов непрерывного прогноза проявлений горного давления при системе разработки с доставкой руды силой взрыва и последующей закладкой выработанного пространства 187

Выводы 190

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 192

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 195

Приложение I. Акустическая дифференцирующая станция АСД 207

Приложение 2. Численные значения деформации в контрольных точках JHfl В 8 217

Приложение 3. Аппаратурный состав, техническое и математическое обеспечение автоматизированной адаптивной системы контроля напряженно-деформированного состояния "Массив 2М" 219

Приложение 4. Расчет товарной продукции за 1983 г. по участку Пологого блока, отработанного с применением методов прогноза. Расчет величины снижения затрат на товарную продукцию с участков вторичной отработки Пологого блока рудника "Глубокий" за 1983 год 245

• Методы определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород
• Формы проявления горного давления на глубоких горизонтах Миргалимсайского месторождения
• Краткая горно-геологическая и горно-техническая характеристика экспериментального участка
• Анализ закономерностей формирования зон опорного давления в условиях ведения горных работ на больших глубинах
• Профилактические мероприятия при проведении передовых выработок

Введение к работе

Ускоренный рост промышленного производства определяется в большей степени мощной сырьевой базой* Расширение сырьевой базы связано с большим и разнообразным кругом проблем. Это и перемещение центра тяжести в отдаленные районы Сибири и дальнего Востока - строительство новых промышленных предприятий, а также решение проблемы добычи полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года" отмечается: "Развитие экономического потенциала страны во многом определяется состоянием минерально-сырьевых ресурсов. Наш долг, как бы велики ни были у нас запасы природных ресурсов, -постоянно искать наиболее рациональные пути их добычи и экономического использования".

На современном этапе увеличение добычи в значительной мере обеспечивается за счет вовлечения в отработку объемов полезных ископаемых,залегающих на значительных глубинах. С углублением горных работ формы проявления горного давления стали более многообразными. На ряде месторождений возникла опасность динамического разрушения горных пород, возросли потери полезного ископаемого.

Вероятностный характер проявления той или иной формы разрушения обусловливает проведение значительного объема профилактических мероприятий. Эффективность этих мероприятий и безопасность труда при отработке в условиях повышенных напряжений зависят от правильности выбора методов управления горным давлением, надежности способов прогноза и контроля состояния массива.

Используемые в настоящее время методы и средства контроля не позволяют с достаточной степенью достоверности судить об устойчивости совокупности конструктивных элементов систем разработки, обладающих различной несущей способностью при совместном деформировании. В особенности это касается ведения горных работ в слоистых неоднородных массивах, когда деформирование элементов систем разработки обусловливается механическими свойствами слагающих структурных разностей, В связи с этим актуальной задачей является разработка методов прогноза проявлений горного давления при добыче руд на больших глубинах.

Цель работы* Установление закономерностей формирования стадий устойчивости слоистого неоднородного массива горных пород для разработки методов прогноза опасных проявлений горного давления при интенсивной отработке руд на болыпих глубинах, позволяющих оперативно планировать и управлять горными работами.

Идея работы заключается в использовании закономерностей деформирования неоднородного слоистого массива горных пород при интенсивной отработке рудных залежей на болыпих глубинах для определения стадии устойчивости и прогноза динамических форм проявления горного давления*

Научные положения,разработанные лично соискателем,и новизна.

Установлены закономерности формирования стадий устойчивости неоднородного массива горных пород слоистого строения, новизна которых заключается в том, что напряжённое состояние определяется по взаимному расположению максимумов концентрации напряжений в слоях, обладающих различными упруго-пластическими свойствами: - полная потеря устойчивости массива наступает при концентрации напряжений одновременно во всех слоях пород с различными упруго-пластическими свойствами на расстоянии от обнажения менее чем 0,5 м; - в последнюю очередь разрушается слой, содержащий наиболее хрупкую породу, с максимальным для данного участка массива коэффициентом упругих деформаций.

Разработан метод контроля устойчивости горных выработок в условиях интенсивного горного давления, новизна которого заключается в оперативном учёте взаимного влияния смежных участков отработки путем определения напряженно-деформированного состояния целиков по величине ускорений поперечных деформаций.

Разработан метод прогноза форм проявления горного давления в краевой части массива неоднородного строения в процессе перехода его в неустойчивое состояние, новизна метода заключается в непрерывной регистрации деформаций д определении величины ускорения, при этом динамическое разрушение прогнозируется при превышений величины ускорения значений, вызывающих хрупкое разрушение пород наименее упругого слоя.

Разработан способ ведения горных работ с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, новизна которого состоит в делений выемочного блока транспортной выработкой на фланги и отработке запасов на указанных флангах участками с неперекрывающимися зонами опорного давления, при этом порядок отработки участков определяется по результатам автоматизированного адаптивного контроля напряженного состояния на основе разработанных методов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: -р проведением многолетних экспериментальных наблюдений и исследований в различных горно-геологических условиях, с использованием апробированных методов и средств контроля напряжений, а также приборов, разработанных с участием автора, для оценки - 9 -напряженного состояния массива горных пород слоистого строения; удовлетворительной сходимостью результатов натурных исследований по оценке напряженного состояния выполненных автором двумя независимыми методами - геомеханическим и геофизическим^ также совпадением полученных результатов с аналогичными результатами у других исследователей в сходных горно-геологических условиях; положительными результатами внедрения методов прогноза проявления горного давления при промышленной отработке полезного ископаемого на глубоких горизонтах Миргалимсайского месторождения.

Значение работы для науки заключается в установлении закономерностей деформирования массива,сложенного слоями горных пород с различными упруго-пластическими свойствами, развивающих существующие представления о механике и условиях возникновения разрушения горных пород и горных ударов.

Практическое значение работы заключается в разработке "Методов прогноза проявления горного давления при добыче руд на больших глубинах",с применением автоматизированной адаптивной системы "Массив 2М",обеспечивающих оперативное управление горным давлением,повышение интенсивности отработки и сокращение потерь полезного ископаемого при добыче руд на больших глубинах. Реализация работы.

Результаты разработанных методов прогноза вредных проявлений горного давления использованы при отработке запасов Миргалимсайского месторождения в Западном, Пологом, Сонкульсайском и Центральном геологических блоках низке отметки 400 м , что позволило повысить интенсивность очистной выемки в 1,5 раза, дополнительно извлечь более 74,5 тыс.тонн руды, которая была списана ранее в потери по условиям недостаточной устойчивости.

Техническое и математическое обеспечение автоматизированного комплекса "Массив" успешно прошло ведомственные приемочные испытания Минцветмета СССР и рекомендовано дня внедрения на рудниках цветной металлургий.

Диссертационная работа выполнена автором в Московском горном институте и Ачисайском полиметаллическом комбинате по результатам научно-исследовательских работ, в которых он принимал непосредственное участие в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и руководителя научно-исследовательских и опытно-промышленных работ, проводимых Ачисайским полиметаллическим комбинатом и Московским горным институтом в соответствии с программой НИР и ОКР на I98I-I985 годы по проблеме разработки рудных местороздений на больших глубинах, утвержденной АН СССР 21 ноября 1980 г. и ГКНТ СССР от 26 августа 1980 г. Гос.регистрация В 79002902.

Автор выраяает искреннюю благодарность за помощь и критические замечания при проведении исследовательских работ сотрудникам и инженерно-техническому персоналу рудника Глубокий и цеха автоматики Ачисайского полиметаллического комбината, отраслевой лаборатории МЕИ, лаборатории прогнозирования БНИМИ, вместе с которыми он участвовал во внедрении технических средств и методов контроля устойчивости выработок.

Особую благодарность автор выражает главному инженеру Ачисайского полиметаллического комбината, лауреату Ленинской премии, к.т.н. КОГАНУ И.ИІ. за его постоянную и действенную - II - поддержку, за доброжелательную критику и оценку достоверности и полезности проводимых исследований.

Для контроля напряженно-деформированного состояния (н.д.с), обусловливающего устойчивость пород в выработках, разработано множество методов и приборов. Наиболее распространенные способы базируются на измерении механических показателей массива при вдавливании штампа - приборы Ш-І8 и МЕД [I], его акустической прозрачности - ультразвуковые методы, с использованием приборов УКБ-ІМ, УК-10, УК-І5 [2,3], электропроводности - с использованием четырех/электродных приборов для поверхностного профилирования и зондирования в скважинах приборами ЕГ-6, ЕГ-9, АССШ, ЖС и др., сейомоакустической активности, регистрируемой приборами типа СБ-28, AC-I и Гроза [4] и др. Широкое использование получили ряд методов,достоверность и эффективность которых, в том числе и для Миргалисайского месторождения [5,6], уже не вызывает сомнения. Однако эти методы базируются на оценке применения косвенных параметров, во многом зависящих от природных условий, что в значительной степени усложняет интерпретацию результатов. Наиболее достоверная информация о напряженно-деформированном состоянии массива обеспечивается при использовании деформационных методов прогнозирования устойчивости выработок. Причиной этому явились: во-первых, первичность этого параметра по отношению к реакции на горное давление, во-вторых, наличие хорошо развитой теории функциональной зависимости между напряжением и деформациями в твердом теле.

Для контроля устойчивости используются результаты измерения величины и скорости деформаций путем сопоставления их с критическими значениями, предшествующими разрушению. Для контроля деформаций применяется ряд датчиков, такие как, индикаторные, индуктивные струнные, фотоэлектрические и другие [2,3,5].

Общим для всех перечисленных приборов, регистрирующих деформации массива горных пород, является наличие реперных систем, закрепляемых в нем, Между этими реперами периодически определяется расстояние и по его изменению ведется расчет деформаций, а также скорость изменения деформаций в сутки. - ІЗ -

ЭДАВА І. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ

ЦЕЖ И ЗАДАЧ ИСШЩЦОВАНИЙ

Проявление горного давления в подземных горных выработках носит многообразный характер. Основной внешний признак горного давления связывается с разрушением горных пород визуально. Все виды разрушений горного массива делятся на два больших класса: нединамические и динамические формы разрушения [1,7,8]. Важное значение имеет выявление признаков, которые бы позволили отнести наблюдаемые формы проявления горного давления к тому или иному классу.

Не/динамическое разрушение характеризуется двумя стадиями. Первая стадия проявления горного давления заключается в деформировании дефектов структуры и разрушения слабых включений. Деформирование на второй стадии включает разрушение основных разностей породного массива и проявляется заколообразованием, обрушениями, сдвижениями, разрушениями конструктивных элементов систем разработки. Динамическое разрушение в упругом массиве является практически одностадийным процессом [7,9].

Возможность возникновения определенной формы разрушения зависит от прочностных и деформационных свойств пород, а также условий нагружения краевой части массива, которые определяют вид напряженного состояния и условия разрушения [9,10,11,12,13]. Прочностные и деформационные свойства пород обусловливают склонность их к определенным формам разрушения и являются природным фактором [14]. Условия нагружения определяются, главным образом, горно-геологическими и горно-техническими факторами. Исходя из этого, проблема предотвращения разрушений включает в себя: оценку потенциальной возможности возникновения тех или иных форм разрушения; контроль напряженно-деформированного состояния массива пород и выбор способов управления горным давлением,

I.I. Методы определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Из большого числа методов изучения механических свойств пород с целью установления склонности их к определенным формам разрушения по результатам натурных испытаний, таких как: методы исследования механических свойств по буримости, по дискованию керна и выходу штыба; ударные методы; методы отрыва, дающие часто лишь косвеную оценку, наиболее достоверная информация достигается путем искусственного нагружения пород непосредственно в массиве. Метод и средства для таких испытаний разработаны во ШИШ под руководством проф. Бич Я.А. [Ю]. Испытания состоят в нагружении давильными домкратами специально подготовленных в массиве призм при различных скоростях нагружения, от статических до динамических, и измерения деформаций.

Натурные испытания механических свойств горных пород в массиве имеют своей целью установление склонности их к тем или иным формам разрушения. Однако, эти испытания не могут моделировать деформирование отдельных элементов оистем разработки при изменений горно-технических условий, причем, особенно это затруднительно в у словиях отработки слоистого массива большой мощности, сложенного разными по механическим свойствам породам.

Рассмотренные методы измерения деформаций дают достовер- ные результаты, когда перераспределение горного давления, т.е. изменение напряжений в массиве, происходит через большие интервалы (порядка нескольких суток) и носит длительный монотонный ха-рактер. Такие процессы протекают в условиях отработки на глуби-ных до 200-400 метров. Характеристики деформирования, получаемые таким способом, можно определить как интегральные.

В условиях повышенного горного давления, значительно увеличивается энергия? запасаемая массивом. Кроме того, горные работы на глубоких горизонтах ведутся в условиях значительной над-работки, большого числа оставленных ранее целиков и контуров выработанных пространств вышележащих горизонтов, а также взаимного влияния очистных работ, ведущихся одновременно в нескольких выемочных блоках и горзонтах. давление здесь распределяется крайне неравномерно:с чередованием зон повышенных и ослабленных напряжений, с проявлением интенсивной деформации горных выработок и удароопасности [9,13,15]. Все это обуславливает многократное изменение поля напряжений и быстрое течение процессов перехода из устойчивого в неустойчивое состояние, и методика интегральных характеристик в таких условиях становится неэффективной, даже если процесс сбора информации автоматизирован, как это сделано на руднике "Каула-Котсельваара" комбината "Печенга-никель" [16,17]. При этой системе наблюдений неучтенными остаются энергоемкость и степень взаимного влияния горных работ на разных участках отработки. Минимальная дискретность снятия отсчетов в этой системе равна двум-трем суткам.

Лабораторией шахтной крепи и механики горных пород Общества каменноугольной промышленности ФРГ предложена зависимость проявления горного давления от самой его величины при сравни- тельных замерах и расчетных данных [18], (см.табл. I.I.I).

Таблица I.I.I.

Проявления горного давления Пропорциональны

Вывалы высотой больше 50 см, частые горному давлению

Ступени в прочной кровле высотой

15 см разгрузке от давления

Конвергенция горизонтальной приросту горного выработки давления

Конвергенция штрека в зоне горному давлению и отработки его приросту

При подработке опусканию кровли

Энергия горного удара квадрату горного давления

Указанная зависимость разработана для крепких углей. Зцесь вмещающие породы и сам уголь обладают пластичной ползучестью, и им присущи большие величины разрушающих деформаций. Это позволяет для прогнозирования устойчивости широко использовать интегральные деформационные методы.

Положительные результаты достигнуты в ФРГ при использовании способа совместного измерения напряжений в угольном массиве и его деформаций [19]. Давление, измеренное в скважине, сопоставляется с величиной выдавливания забоя. Если при незначительном выдавливании угля в контршьной скважине регистрируется резкое нарастание давления, то это свидетельствует об опасном накапливании энергии в угольном массиве. Такой способ определения состояния выработок дает достаточно достоверные результаты, но он не технологичен, так как определение напряжений - трудоемкий и длительный процесс. Этот способ эффективен только при прогнозировании в отдельно взятой выработке, в определенный промежуток времени. Для больших площадей отработки отсутствие возможности сопоставления результатов на всем протяжении технологического цикла по площади и уровням нескольких горизонтов не дает возможности оценивать влияние горных пород на сое тояние выработок смежных областей. Решение именно такой задачи наиболее актуально в условиях деформирования в динамическом режиме [20]

Визуальные обследования [21] разрушения пород на руднике "Октябрьский" Норильского ГМК имени А.П. Завенягина подтвердили, что основными формами разгрузки массива от напряжений,при -водящих к нарушению сплошности массива, являются шелушения -откол чашеобразных пластин при соотношении их размеров 1:10:10, кроме того , имели место и вывады ,куполообразование. Учитывая качественные особенности динамического разрушения поверхности одиночных выработок, делается заключение, что форма разрушения стенок выработок указывает на возможность использования в качестве основного критерия оценки напряженности горного массива сведения о максимальных касательных напряжениях .Количественные значения нормальных , главных и касательных напряжений получали, исходя из размеров разрушенных областей. Способы определения напряжений построенные на оценке объемов обрушений ,малоэффективны для прогноза проявлений горного давления при проведении горных работ, так как для определения величины напряжений в массиве требуется, чтобы процесс разрушения уже произошел, задача же состоит в том,чтобы его предупредить.

Долговременное прогнозирование состояния выработок ,влияние фактора времени на напряженное состояние массива определяет- ся свойствами ползучести горных пород, слагающих его. Расчет нагрузок на поддерживащие целики с учетом геологических свойств позволяет определить размеры конструктивных элементов систем при действующих в них напряжениях до 50-70$ от разрушающих, и длительном их использовании. Следует учесть, что в подобных расчетах используется значительная идеализация условий нагруже-ния [22,23]. Горный массив принимается как однородная сплошная среда. Реальная же прочность отдельно взятого целика значительно меньше получаемой этим расчетом. Это обусловлено наличием в нем зон ослаблений (микротрещиноватости, различного рода включений, текстурных блоков, слоистости и т.п.). В то же время, если говорить об устойчивости определенной системы целиков, то она во многих случаях выше расчитанной по Y Н. Одна из причин этого явления - степень участия в поддержании кровли отдельными целиками рассматриваемой группы, несущая способность которых не одинакова [24,25,26,27І.

Устойчивость выработок-в значительной мере вероятностный процесс. Указанная неоднородность строения реального массива, неравномерность распределения напряжений в нем обуславливают вероятностный характер перераспределения напряжений. Для технологических нужд текущей отработки эффективность указанного расчетного метода снижается еще и по той причине, что на глубоких горизонтах преобладает динамический характер деформирования предельно напряженного массива. В расчетных схемах для процессов, протекающих в горных породах, обладающих низкой степенью ползучести, учитываемая величина последней принимается за не менее, чем 50-ти часовой промежуток. Практически же массив способен переходить из устойчивого в неустойчивое состояние за период времени, определяемый несколькими часами. Для цели текущего прогнозирования необходим способ контроля, который бы позволял за короткий промежуток времени в течение технологического процесса добычи давать исчерпывающую информацию о состоянии отрабатываемого участка горного массива и учитывать степень влияния на настоящую отработку других областей рудного поля.

1.2. Управление горным давлением при ведении горных работ на больших глубинах

Проблема управления горным давлением на больших глубинах состоит в том, что отработка ведется во время действия напряжений высокой интенсивности, что обусловливает влияние процессов, протекающих на значительном удалении от рассматриваемой зоны. Здесь под управлением горного давления следует понимать не только вид управления кровлей, выбор размеров камер и целиков, параметров крепления и форм сечений выработок, но и выбор интенсивности ведения горных работ, в зависимости от напряженного состояния. Значительную роль приобретает учет объемов открытых камер и ранее отработанных пустот, планирование ведения горных работ, исключающее наложение зон опорного давления [1,6,28,29]. При этом вышеизложенные факторы в большей степени определяют вероятность горных ударов статического типа, в то время такие факторы, как определение темпов подвигания забоя и интенсивности очистной выемки в районах, прилегающих к тектоническим нарушениям, определяют вероятность, горных ударов динамического типа.

Обратимся к вопросу-выбора размеров конструктивных ^элементов систем. Размеры целиков и пролеты камер должны рассчитываться с учетом длительного срока их службы, с заданным запасом прочности. Снижение эффективности методики определения параметров конструктивных элементов системы разработки для глубоких горизонтов путем традиционного статического расчета вызвано тем, что породы находятся под неравномерным действием интенсивного горного давления. Простое же увеличение размеров целиков и уменьшение пролетов камер приводит к снижению интенсивности горного давления и увеличению потерь полезных ископаемых, а кроме того, создаются условия для аккумулирования упругой энергия в целиках, что в конечном счете опять-таки ведет к вероятности возникновения динамических форм разрушения пород. Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод. Размеры целиков должны быть уменьшены, а горные работы нужно вестя в условиях податливых массивов пря непрерывном контроле степени их устойчивостя [6,30,31,32]. Следует однако учитывать, что если в начальный период, то есть на момент отработки, рудный массив, заключенный в уменьшенных целиках, сохранял устойчивость, то по мере формирования зоны опорного давления целики могут переходить в стадию разрушения. К этому же приводит в ряде случаев и интенсивная отработка участка. Увеличение объема открытых камер создает концентрации напряжений в целиках с образованием зон опорного давления, величина которого в несколько раз превышает геостатическое давление на данной глубине. Это приводит к тому, что массив в зоне текущей очистной выемки переходит в неустойчивое состояние я становится склонным к динамическому проявлению горного давления [7,33,34,35,36].

Для угольных, так же как и для рудных месторождений, с переходом горных работ на большие глубины особо шжное значение приобретают мероприятия по разгрузке забоев и выработок от вредного влияния горного давления.

Если рассмотреть мероприятия, проводимые на угольных месторождениях, то их можно разделить на активные и пассивные. К пассивным относится разгрузочное бурение. В ФРГ Ё37] на каменноугольных шахтах бурят скважины диаметром, как правило, 96 мм, в некоторых случаях 145 мм и 200 мм. Целью такого бурения является перемещение опасных концентраций напряжений в пласте из зоны, близкой к выработке, вглубь массива. Разгрузка осуществляется по определенной программе, которая учитывает размеры удароопасной зоны. Несовершенство такого способа заключается в том, что бурение осуществляется в массиве, склонном к ударам, и в местах концентрации напряжений, что в некоторых случаях приводит к активному перераспределению напряжений в призабойной зоне и, в конечном счете, к выбросу из скважины разрушенного материала.

К активным способам воздействия на массив следует отнести разгрузочное взрывание, придание выработкам специальной формы, а также разгрузочное нагнетание воды в пласт с целью его увлажнения и разгрузки [1,35,38,39,40,41].

Последние два способа специфичны и используются только на углях и для прочных пород в промышленных масштабах в настоящее время не применимы. В будущем же сочетание с определенными физическими воздействиями на разгружающий агент (в данном случае - воду), например, электрическими разрядами, возможно в дальнейшем будут достигнуты определенные результаты по разгрузке массива . крепких горных пород.

Придание выработкам специальной формы, обеспечивающей снижение напряжений на контуре выработки, приводит к удорожанию проходки и не всегда возможно. Кроме того, сложно установить^ каком месте свода или борта выработки необходимо проектировать замок (шатра), так как для этого необходимо знать направление действия максимальных главных нормальных напряже- ний, а определение их представляет трудоемкий процесс, К тому же выбор направления проведения выработки определяется на основании горно-геологических условий и её назначением,и в очень редких случаях, оно составляет постоянный угол с направлением действия указанных напряжений. В слоистом же массиве оформить такое сечение практически невозможно из-за опасности образования новых консолей. Подрезание пласта будет приводить к еще большему объему разрушений. Из наиболее эффективных способов активной разгрузки считается разгрузочное взрывание [351. Сущность его заключается в том, что в скважинах, пробуренных в угрожаемом массиве, осуществляется комуфлетное взрывание зарядами предохранительного ВВ. При этом максимальную энергию взрыва стараются приложить в зоне максимальных концентраций напряжений. Скважины бурят на глубину ЗМ + А, где Ш - мощность пласта, А -уходка за цикл. В СССР также имеется опыт разгрузочного взрывания. Довольно широко оно применяется на рудниках Северо-Ураль-ского бокситового месторождения [39,40"], где проблема предотвращения динамических явлений стоит особо остро.

Отмеченные выше мероприятия по разгрузке выработок нарушают или замедляют технологический процесс добычи и проходки. Так для осуществления разгрузочного взрывания требуется пробурить в забое не менее трех скважин диаметром І0Б-ІІ5 мм (сече-ние выработки 9 иг). При вынимаемой мощности залежи 6 м и уходке за цикл 3 м длина каждой скважины должна составлять не менее 21 м. Поэтому на разгрузку только одного забоя потребуется 3-4 смены. Кроме того, что резко падает интенсивность работ при мелкошпуровой отбойке, требуется дополнительно иметь специальное оборудование для бурения глубоких скважин большого диаметра.

Обобщая изложенное, необходимо отметить, что для обеспе- чения требуемой интенсивности ведения очистных работ на больших глубинах и повышения их безопасности следует разработать специальный способ ведения горных работ, исключающий мероприятия, нарушающие технологический цикл добычи и сводящий до минимума непроизводительные затраты. Кроме того,необходимо разработать мероприятия, исключающие формирование ударо-опасных условий. Целесообразно установить тот момент, когда наступает переходная стадия в устойчивости выработок,и предупредить дальнейшее прогрессирование процесса, что позволит значительно снизить величину последствий проявления горного давления.

1,3, Горно-технические условия разработки Миргалим-сайокого месторождения

В геологическом отношении Миргалимоайское полиметаллическое месторождение представлено карбонатной толщей известняков и доломитов массивной и слоистой текстуры. Промышленные концентрации полезных ископаемых приурочены ко П-му Ленточному гори-зонту Дд - 4, залегающему в средней части карбонатной толщи.

Разрывные нарушения разных порядков и типов неоднократно проявлялись в рудном поле и значительно усложнили его тектоническое строение (рис.1.3.1). Рудовмещающий горизонт обладает сравнительно высокой неоднородностью литолого-стратиграфическо-го строения. В его разрезе выделяется II пачек, группирующихся в четыре пластообразные залежи: ячеистую, основную, промежуточную и параллельную (рис, 1.3,2),

Угол падения рудовмещающего горизонта изменяется от 0 до 90, но на большинстве участков он находится в пределах 10 - 40. Стратиграфические пачки рудовмещающего горизонта и

Рис.I.3.I. Тектоническое строение Миргадимсай-ского маоторовдения:

I - главный Аксайский сдвиг; 2 - Юкный надвиг; 3 - криволинейный сдвиг; 4 - сдвиг І^ухамед; 5 - сдвиг Янос; I - Еирясекский тектонический блок; П - тектонический блок Щхамед; Ш - Северный тектонический блок; ІУ - Сонкульсайский тектонический блок; У - Центральный тектонический блок; УІ - пологий тектонический блок; УП - западный тектонический блок; УШ - Южный тектонический блок

Ряс. 1*3.2. Геологическое строение рудного горизонта Миргалймсайского месторождения - 26 -висячего бока представлены отдельными слоями мощностью от 0,5 см до десятков см, в лежачем боку залегают грубослоистые доломити-здрованные известняки. По мере увеличения глубины разработки ,а также в направлении простирания, мощность слоев и пачек существенно не изменяется.^:

Относительно высокие крепости (12-14 по шкале Протодьяконова) и устойчивость пород Миргалимсайского месторождения обусловили с самого начала-; отработки месторождения применение систем с открытым очистным пространством.

По мере отработки месторождения камерными системами накапливается большой объем непогашенных пустот. Длительный срок эксплуатации месторождения отрицательно сказывается на состоянии межкамерных целиков, которые постепенно разрушаются и вызывают неконтролируемые обрушения налегающих пород. В результате этого создаются условия для неравномерного распределения нагрузки на целики,часть из которых переходит в неустойчивое состояние и разрушается , приводя к формированию на нижележащих горизонтах зон опорного давления и большим потерям руды.

Первым этапом на пути решения проблемы сокращения потерь полезного ископаемого явилась опытно-промышленная отработка целиков столбов вставленных на ранее отработанных площадях Сон-кульсайского и Центрального блоков[6,26]. Горные работы здесь проводились в два этапа. В начале производилось уменьшение целиков до запаса прочности равном I, а затем полное разрушение целиков с доставкой руды силой взрыва в пространстве с устойчивыми целиками и последующей посадкой кровли. Таким способом было добыто более 150 тыс.тонн руды. При всех достоинствах такого способа отработки , включая и отработку целиков с поле- вой подготовкой, он имеет ограниченную область применения. Учитывая значительную обводненность месторождения, ведение горных работ с обрушением может привести к внезапным прорывам воды в выработки, и кроме того, такая отработка приводит к образованию мульд сдвижения и обрушению поверхности.

К 1978 году были окончены специальные исследования по разработке технологии закладочных работ на основе тиксотропних смесей, обеспечивающих низкую себестоимость закладки [42]. G применением этой технологии закладочных работ получили наиболее широкое распространение две системы разработки. Для крутых участков местороадения - с доставкой руды силой взрыва с последующей закладкой отработанных камер. Для пологих и наклонных - с горизонтальным расположением камер по простиранию и закладкой.

С переходом горных работ на глубокие горизонты (свыше 400 м) использование традиционных схем отработки с оформлением в выемочном блоке сначала всех камер первой очереди, а затем камер второй очереди стало приводни, к переходу значительных участков рудного массива в неустойчивое состояние. Это обуславливало остановку ведения горных работ и снижение интенсивности очистной выемки.

Внедрение систем с твердеющей закладкой бесспорно позволит увеличить область применения систем с выемкой по простиранию, а следовательно, позволит снизить разубоживание.

Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать вывод, что применяемые на руднике камерные системы разработки на глубоких горизонтах приведут к значительным потерям полезного ископаемого в недрах до 40-50$.

Более перспективными являются системы разработки с зак- ладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Это позволяет снизить потери полезного ископаемого в недрах до 3-5$ и разубоживание до 6-8$. Эти системы позволят повысить безопасность ведения горных работ и увеличить срок службы предприятия. Начало использования новых систем отработки всегда связано с проведением специальных исследований по определению оптимальных параметров конструктивных элементов, интенсивности и порядка отработки участков выемочного блока. С этой целью комбинатом "Ачполиметалл" совместно с институтами ВНЙШ, ИІД АН Казахской ССР, МШ, ВНйИцветмет и др. производится комплекс наблюдений за проявлением горного давления.

1.4. Результаты ранее проведенных на Миргалимсайском месторождении исследований по изучению механических свойств и контролю напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Исследование механических свойств и напряженного состояния пород Миргалимсанекого месторождения были начаты в 60-70-х годах [5,31,32,43]. Работы проводились как в лабораторных, так и в натурных условиях. В результате этих экспериментов были определены: пределы прочности, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, хрупкость разностей пород и руд, слагающих местрождение, деформационные свойства отдельных пачек при нагружении в массиве. Исследования в лабораторных условиях проводились путем испытания образцов, а в натурных условиях - с использованием глубинных реперов индикаторными устройствами измерения осевого сжатия целиков, инструментальными наблюдениями за сдвижением земной поверхности по профильным линиям, периодическим просмотром г скважин в целиках,испытаниями призм нарушением давильными домкратами. Методом разгрузки были определены численные значения величин напряжений в массиве, а таклке картина распределения по глубине скважин, пробуренных в глубину целика, не пересекая пачек залежи. Испытаниями призм были установлены деформационные свойства отдельных пачек рудной залежи. Работы проводились на 9 горизонте Сонкульсайского блока.

Этими исследованиями было установлено следующее. На Миргали-мсайском месторождении проявление горного давления возможно в нединамической и динамической форме, при этом проявление динамических форм более вероятно в выработках небольшого сечения, вскрывающих хрупкие массивные разновидности пород.

Осевое сжатие целиков, расположенных на расстоянии 30-40 м от границы отработки, не превышает при камерно-столбовой системе отработки 0,06-0,09 мм/м. Максимальная величина относительной продольной деформации за год не превысила 0,6 мм/м [31,32^.

Результаты измерений методом разгрузки в барьерном целике показали, что максимальные значения вертикальной составляющей напряжений dyuo всем разгрузочным скважинам наблюдаются на интервале 2 м от устья скважин. Значения их составляют на глубине разработки порядка 200 м - 12-12,5 МПа. С 2 м до 6 м от устья скважин напряжения постепенно уменьшаются и на интервале 6-7 м Сэ у составляет 6,5-8,0 МПа. Значение вертикальных напряжений на глубине 11,8 - 12,5 м составили соответственно 7,0 и 8,0 МПа. Таким образом, величина вертикальной составляющей напряжений, определенной методом разгрузки в центральной части барьерного целика, колеблется в пределах 6,5-8,0 МПа. Средняя величина dу на интервале, равном 10 м (половина ширины целика), составляет 8,0 МПа. Вертикальная составляющая напряжений, подсчитанная с учетом давления на целик полного веса _{- зо -} пород до земной поверхности, ориентировочно составляет 7,0 МПа [42],т.е. имеет тот же порядок, что и среднее значение по данным метода разгрузки. Проведенные исследования ВНИШ не подтвердили резко выраженного эффекта разгрузки в естественном состоянии междукамерных целиков барьерными целиками [5,31].

Как уже было отмечено выше, существенным недостатком применения камерно-столбовой системы разработки, в связи с переходом очистных работ на более глубокие горизонты, является резкое увеличение потерь полезного ископаемого, величина которых в большей степени определяется особенностями проявления горного давления. Предложенные институтом Гипроцветмет и комбинатом "Ачполи-металл" варианты камерно-столбовой системы разработки с жесткими барьерными целиками и податливыми междукамерными целиками позволяет, в принципе, путем рационального использования закономерностей процесса сдвижения и физико-механических свойств пород, а также выбора оптимальных размеров целиков и порядка их расположения, снизить потери руды на глубоких горизонтах [б,32, 43] ; Идея предложения предполагает перераспределение нагрузки от веса налегающего породного массива с более податливых междукамерных целиков на более жесткие и менее деформируемые барьерные целики.

Однако приведенные выше результаты натурных исследований, проведенных ВНИМИ, а также аналитические исследования и данные моделирования, выполненные К.В.Руппенейтом, А.М.Илыптейном, В.Ф. Трумбачевым и другими [31,44,45,46] , не подтверждают существенного снижения нагрузки на междукамерные целики вхвиду большой жесткости рудных целиков. Поэтому при расчете размеров целикоі предполагалось учитывать возможность работы целиков в пределах упругих деформаций и заданной нагрузки, определяемой весом все- - ЗІ - де го столба пород до поверхности. Для снижения нагрузки на межкамерные целики с перераспределением давления на барьерные целики для прочных пород с хрупким разрушением было предложено искусственное увеличение податливости междукамерных целиков 32].

Перспективность снижения потерь полезного ископаемого при камерно-столбовой системе с жестішми опорными и податливыми поддерживающими целиками была установлена экспериментально Московским горным институтом работами, проведенными под руководством В.И.Борщ-Компонийца на Джезказаганском и Миргалимсайском месторождениях [29,32],

В результате указанных работ, проведенных на Миргалимсайском месторождении, были получены следующие результаты:

Установлена принципиальная возможность создания искусственной податливости целиков, сложенных крепкими слоистыми породами с применением буровзрывных работ.

Деформация одного целика вызывает перераспределение давления на значительной площади.

При податливых целиках происходит упругое восстановление объема пород известняков, обладающих высокими упругими свойствами.

Измерения глубинными реперами показали, что непосредственная кровля в устойчивой стадии работает как единое целое и деформируется плавно без видимых разрушений совместно с целиками.

5. Для исследования деформаций целиков и вмещающих пород в силу незначительных их абсолютных значений потребовалась раз работка специальных приборов,позволящих регистрировать смещения с точностью ± 0,03 мм. С этой целью был разработан гидростати- ческий нивелир. Гидростатический нивелир основан на принципе равновесия жидкости в сообщающихся сосудах.

Использование этих результатов на Миргалимсаиском месторождении в опытно-промышленных масштабах было осуществлено при выемке столбчатых целиков на участках залежи, отработанных ранее системами с открытым очистным пространством [б,26,43]. В результате этих работ были подтверждены закономерности деформирования междукамерных целиков, которые выражаются в частичной разгрузке их с переносом нагрузок на массивные и барьерные целики или иные жесткие опоры. При этом податливый режим работы столбчатых целиков обеспечивался частичным уменьшением целиков в поперечном сечении. Кроме этого, производилось совершенствование методов измерения напряженно-деформированного состояния массива горных люрод. Представительными шахтными инструментальными наблюдениями за формированием зоны опорного давления, а также установленным характером изменения в ней напряженно-деформированного состояния была показана необходимость проведения контроля устойчивости конструктивных элементов систем в процессе ведения очистных работ, направленных на снижение потерь полезного ископаемого в целиках. Глубина горных равот на экспериментальном участке составляла 200 м. На этой глубине значения вертикальной составляющей тензора напряжений в массиве равняются уН = 5,4 МПа ( Y - средний объемный вес налегающей толщи; Н - глубина работ) , а в целиках на 3($ меньше напряжений, рассчитанных по весу столба пород до земной поверхности, с учетом подработки.

В ходе проведенных исследований было определено, что использованные при контроле приборы и устройства не могут обеспечить нормальную работоспособность на всех этапах ведения горных работ в силу отсутствия их помехозащитности от взрывных работ, а необходимость присутствия оператора при снятии очередных отсчетов с контролирующих приборов, кроме того, приводит к потере актуальности полученных результатов.

Указанные недостатки устраняются с применением автоматического беспроводного сбора информации с контрольных точек. Контроль напряженного состояния таким способом был осуществлен с использованием аппаратуры "Массив", разработанной Московским горным институтом при отработке целиков 7-го горизонта (глубина около 300 м) Сонкульсайского блока [30,47,48]. Сравнение измерений деформаций целиков при ведении опытных очистных работ на 4 горизонте с контролем, использующим приборы с ручным сбором полезной информации, и аналогичных исследований на 7 гори-зонте в породах того же блока показало удовлетворительную сходимость результатов как по величине, так и по динамике их развития во времени. В то же время использование аппаратуры "Массив" позволяет производить технологический контроль, взаимоувязанный с отработкой на всех этапах горных работ [30,49]. Кроме того, в результате анализа проведенных исследований был вскрыт новый физический процесс, происходящий после проведения технологических взрывов на контролируемом участке. Установлено, что перераспределение горного давления, вызванное образованием нового объема пустот в результате разрушения взрывом массива на глубину уходки, обусловливает переходный процесс в деформировании конструктивных элементов систем: целиков и кровли. Причем, длительность переходного процесса зависит от степени усто чивости того участка массива, в котором производится его регистрация [50]. Положения, выработанные в результате этих исследований, позволили разработать при участии автора способ технологического контроля устойчивости очистного пространства с использованием информативного признака в виде промежутка времени от момента взрыва при отбойке руды до максимума скорости деформаций затухающей ползучести пород междукамерных целиков, возникающей в процессе отработки соседних целиков. Однако эффективное использование этого способа возможно только при условии автоматизированного сбора и анализа полезной информации, поступающей с участка контроля. Это условие вытекает из того, что указанный промежуток времени от момента взрыва до максимума скорости мгновенных деформаций для переходного и неустойчивого состояния массива лежит в пределах от 7 до 3-х часов соответственно. Обеспечить снятие собранной на ленте самописца информации и сравнить ее с моментом взрыва по 10 контрольным точкам из смены в смену невозможно» Кроме того, имеет место снижение и по самому способу достоверности контроля при осуществлений его в условиях сильного взаимовлияния горных работ, производимых в смежных с контролируемым массивом областях и вызывающих перераспределение горного давления без проведения взрывных работ на участке контроля. Такие случаи значительно участились с переходом горных работ на большие глубины.

Следует отметить, что все ранее проведенные на Миргалим-сайском месторождении исследовательские работы по установлению закономерностей деформирования массива горных пород осуществлены в условиях неглубокой отработки. Это же относится и к разработанным средствам измерения и контроля напряженного состояния.

С перемещением горных работ на глубокие горизонты формы проявления горного давления стали значительно многообразнее: при переходе массива пород в неустойчивое состояние имеет место как спокойное разрушение, так и активное заколообразование, стреляние и толчки горных пород. Причем, в ряде случаев все много- образне этих форм имеет место на одном и том же участке массива. Прогноз и контроль таких явлений с использованием вышеизложенных методов и средств осуществлен быть не может.

1.5, Постановка задачи исследования

Обобщая результаты проведенного анализа использования в СССР и за рубежом методов и средств контроля и управления горным давлением на месторождениях, сложенных крепкими горными породами, необходимо отметить общую тенденцию - стремление обеспечить условия для очистной выемки с минимальными потерями и с сохранением безопасных условий труда. Среди известных методов, способствующих сокращению потерь, наиболее перспективным является внедрение систем разработки с закладкой выработанного прост-\ ранства. Разработанные же мероприятия для выемки столбчатых целиков, включающие создание искусственной податливости междукамерных целиков с переносом нагрузок на жесткие опоры - барьерные целики, существенно осложняют очистную выемку. Использование способа выемки целиков с последующим обрушением налегающей толщи пород возможно только в некоторых случаях, когда не требуется сохранение поверхности и нет опасности прорыва воды в действующие выработки.

С углублением горных работ значительно возрастает величина горного давления, а вместе с ним вероятность хрупкого разрушения горных пород в динамической форме. Это обусловило применение профилактических мероприятий, направленных на снижение напряжений в отрабатываемом массиве. В связи с этим требуется постоянно определять и контролировать эффективность произведенной разгрузки. Наиболее эффективны для этой цели системы непрерыв- - 36 -ного автоматического контроля за состоянием массива. При этом для технологического контроля необходимо использовать результаты измерений переходного процесса нагружения в области мгновенных деформаций. Однако по условиям длительности этого процесса получение достоверных результатов контроля возможно только с применением автоматизированной системы контроля (АСК). При этом способ контроля с использованием признака в виде промежутка времени от момента взрыва до максимума скорости деформаций затухающей ползучести не обеспечивает необходимую достоверность контроля в условиях развитого фронта очистных работ и прогноза устойчивости в хрупких горных породах.

В предыдущих работах при рассмотрении деформирования рудного массива вывод критериев устойчивости осуществлялся безотносительно к свойствам неоднородного горного массива, сложенного породами с различными механическими свойствами. Вместе с тем массив разрушается в существенно различных формах в зависимости от величины и динамики нагружения. Известные методы и средства контроля не дают возможность осуществлять непрерывный контроль форм проявления горного давления в неоднородном массиве, сложенном породами с различными упругими свойствами, с одновременным учетом динамики нагружения.

Целью настоящей работы является разработка способов прогноза и управления горным давлением путем использования закономерностей деформирования неоднородного массива горных пород на больших глубинах на основе автоматизированного непрерывного контроля деформаций, обеспечивающих в этих условиях снижение потерь полезного ископаемого, повышение интенсивности очистной выемки и улучшение условий безопасности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Исследование процессов деформирования неоднородного массива горных пород слоистого строения.

Разработка методов и критериев непрерывного контроля устойчивости и формы проявления горного давления в неоднородном слоистом массиве горных пород,

Определение закономерностей формирования зон шорного давления в условиях ведения горных работ на больших глубинах.

Разработка методики, алгоритма и автоматизированного непрерывного контроля напряжений и процессов применительно к конструктивным элементам систем разработки.

Определение способов ведения горных работ на больших глубинах.

Для исследований использовались следующие методы и оредства исследований н.д.с. массива пород; ультразвуковые про-звучивания межскважинного пространства (прибор УКБ-ІМ и УК-І0ІІ [1,2] ); метод вдавливания пуансона в забой скважины (прибор БП-І8 [I] ); оейсмоакустический метод (прибор АС-І [4,51] )і аппаратура беспроводного контроля деформаций "Массив" [48] ; данные исследований,ранее проведенных на Миргалимсайс-ком месторождении.

Кроме этого, в исследованиях использовались ряд устройств для определения напряженного состояния и автоматизированная система контроля н.д.с, разработанные с участием автора. Эти приборы и средства контроля защищены авторскими свидетельствами на изобретения (а.с. СССР Ш 1025475, 1033736, І0465ІІ, 1046509, І07І750).

Методы определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Из большого числа методов изучения механических свойств пород с целью установления склонности их к определенным формам разрушения по результатам натурных испытаний, таких как: методы исследования механических свойств по буримости, по дискованию керна и выходу штыба; ударные методы; методы отрыва, дающие часто лишь косвеную оценку, наиболее достоверная информация достигается путем искусственного нагружения пород непосредственно в массиве. Метод и средства для таких испытаний разработаны во ШИШ под руководством проф. Бич Я.А. [Ю]. Испытания состоят в нагружении давильными домкратами специально подготовленных в массиве призм при различных скоростях нагружения, от статических до динамических, и измерения деформаций.

Натурные испытания механических свойств горных пород в массиве имеют своей целью установление склонности их к тем или иным формам разрушения. Однако, эти испытания не могут моделировать деформирование отдельных элементов оистем разработки при изменений горно-технических условий, причем, особенно это затруднительно в у словиях отработки слоистого массива большой мощности, сложенного разными по механическим свойствам породам.

Рассмотренные методы измерения деформаций дают достовер - 15 ные результаты, когда перераспределение горного давления, т.е. изменение напряжений в массиве, происходит через большие интервалы (порядка нескольких суток) и носит длительный монотонный ха-рактер. Такие процессы протекают в условиях отработки на глуби-ных до 200-400 метров. Характеристики деформирования, получаемые таким способом, можно определить как интегральные.

В условиях повышенного горного давления, значительно увеличивается энергия? запасаемая массивом. Кроме того, горные работы на глубоких горизонтах ведутся в условиях значительной над-работки, большого числа оставленных ранее целиков и контуров выработанных пространств вышележащих горизонтов, а также взаимного влияния очистных работ, ведущихся одновременно в нескольких выемочных блоках и горзонтах. давление здесь распределяется крайне неравномерно:с чередованием зон повышенных и ослабленных напряжений, с проявлением интенсивной деформации горных выработок и удароопасности [9,13,15]. Все это обуславливает многократное изменение поля напряжений и быстрое течение процессов перехода из устойчивого в неустойчивое состояние, и методика интегральных характеристик в таких условиях становится неэффективной, даже если процесс сбора информации автоматизирован, как это сделано на руднике "Каула-Котсельваара" комбината "Печенга-никель" [16,17]. При этой системе наблюдений неучтенными остаются энергоемкость и степень взаимного влияния горных работ на разных участках отработки. Минимальная дискретность снятия отсчетов в этой системе равна двум-трем суткам.

Формы проявления горного давления на глубоких горизонтах Миргалимсайского месторождения

Испытаниями механических свойств, проведенными в лабораторных и натурных условиях, выявлено существенное различие в показателях прочности и хрупкости основных разновидностей пачек рудной залежи и вмещающих пород (табл.2.1.1).

За время эксплуатации рудников на Миргалимсайском месторождении в подготовительных и очистных выработках имели место различные формы разрушения пород под действием горного давле - 39 няя. Наиболее характерными формами являются обрушения кровли камер, вывалы и отслоения из кровли подготовительных и капитальных выработок, разрушения целиков. Анализ этих форм разрушения показывает, что они приурочены к дефектам структуры массива (нарушенность трещинами, слабая связь по контактам слоев, кальцитизация, наличие глинистых пропластков и т.п.). Эти разрушения наблвдаются на многих горизонтах в выработках различного назначения, происходят не мгновенно, а продолжаются в течение; длительного времени, не носят бурного характера и поэтому не могут быть квалифицированы как разновидности форм горных ударов,

В тфе время вредное воздействие таких проявлений горного давления, имевших место на месторождении, оказала значительное влияние на проведение очистной выемки в пределах целых геологических блоков. Примером тому может служить массовое разрушение столбчатых целиков Пологого блока 13-16 горизонтов, приведшее к невозможности дальнейшего ведения горных работ в этом блоке без разработки специальных мероприятий по снижению интенсивности горного давления. Схожий характер деформирования имел место при отработке Западного геологического блока. Очистная выемка в 600-602 блоках системой разработки с камерами по простиранию ниже 19 горизонта приводила к внезапным обширным обрушенням кровли выработок на высоту 1-2 м,

0 переходом горных работ на глубокие горизонты интенсивность нединамических форм разрушений значительно увеличилась [51,52]. В результате чего в ряде горных выработок имело место изменение формы их поперечного сечения от сводчатой к шатровой. В качестве примера интенсивного развития горного давления в нединамической форме можно привести разрушения,проис.шедшие в очистных камерах 22-25 горизонтов (глубина 600-650 м) Западного и Центрального геологических блоков. Отслоение по закрепленной кровле происходило в перемежающейся и массивной пачках, а также в породах лежачего бока, представленного нижнекомковатым горизонтом (рис. 2.I.I, 2.1.2, 2.1.3).

Стреляния пород на Маргалимсаиском месторождении начали отмечаться с глубин 200 м в Сонкульсайском геологическом блоке, когда в квершлаге 9-го горизонта было зарегистрировано динамическое разрушение верхней части забоя и кровли, сопровождавшееся звуковыми явлениями с разлетом плиток пород. В этом же блоке наблюдались стреляния при проходке разрезных штреков, а также в процессе раскоски восстающего между 7 и 9 горизонтами в массивной пачке, когда они продолжались даже после установки штанговой крепи. В Центральном геологическом блоке отмечалось стреляние груборассланцованных известняков повышенной баритиза-ции из кровли выработки при отработке барьерного целика между 9 и 10 горизонтами. К эффектам того же порядка надо отнести разрушения нижней массивной пачки в разведочном восстающем Сонкульсайского геологического блока (глубина более 400 м). В Южном геологическом блоке (глубина около 400 м) стреляние происходило в средней массивной пачке из кровли транспортной камеры при опережений её забоя относительно очистной камеры.

Краткая горно-геологическая и горно-техническая характеристика экспериментального участка

Блоки & 5, 7, 9, II Центрального геологического блока 16 горизонта и 19 горизонта (глубина от поверхности соответствен - 86 но 400 и 490 м) ограничены с северо-востока барьерным целиком 16-го горизонта, с юго-запада барьерным целиком 19-го горизонта, с северо-запада восстающим & II и с юго-востока восстающим $ 5.

Рудное тело представлено доломитизированными известняками массивной слоистой и тонкослоистой текстурами о прожилками кальцита с послойно-просечковым и вкрапленным оруденением.

По текстурным особенностям и степени оруденения выделяются отдельные группы слоев (пачек), объединенных в залежи. Всего выделяется четыре залежи: параллельная, промежуточная! основная, ячеистая. Параллельная залежь сложена доломитизированными известняками массивной и грубослоистой текстурами с незначительным вкраплением и частичной пиритизацией в верхней части залежи. Параллельная залежь представлена грубослоистой пачкой. Промежуточная залежь сложена доломитизированными известняками массивной и слоистой текстуры, с прожилками кальцита с фауной OtinxhicLeou в средней части залежи,

Оруденение слабее, вкрапленное. Промежуточная залежь пред-ставленна массивной, перемежающейся с верхней слоистой пачками. Основная залежь сложена доломитизированными и частично баритизироваиными известняками слоистой и тонкослоистой текстуры с интенсивным просечково-слоистым оруденением. Основная залежь представлена ячеистой рудной пачкой, нижней массивной, средней массивной, ленточной пачками,

В висячем боку залегает нижняя плитчатая пачка, сложенная доломитизированными известняками сложной текстуры с обильной пиритизацией и наличием фауны. Оруденение убогое, вкрапленное.

Анализ закономерностей формирования зон опорного давления в условиях ведения горных работ на больших глубинах

Ухудшение горно-технических условий с переходом горных работ на большие глубины связано не только .с повышением горного давления за счет увеличения Y Н , но еще и в связи с образованием на верхних горизонтах большого объема пустот. На ряде участков рудного поля произошло разрушение групп столбчатых целиков, образовались зоны обрушения. Такие зоны обусловили концентрацию горного давления на локальные участки. Кроме этого, с применением на проходке и очистной добыче мощного самоходного оборудования значительно увеличилась интенсивность отработки как локальных зон, так и крупных участков месторождения в целом.

Перечисленные выше факторы обусловливают значительную неравномерность распределения горного давления по выемочным блокам.Неравномерность действия горного давления проявляется также и внутри блока. Указанные факторы требуют разработки методов учета взаимного влияния отработанных камер.Использование только расчетных методов практически очень сложно [81,82]

В предыдущей главе были установлены критерии контроля напряжений в отдельно взятом конструктивном элементе системы. При этом остался нерешенным вопрос контроля устойчивости крупных областей массива, таких как выемочный блок,уча сток шахтного поля между рабочими горизонтами и т.п. Ясно,что идти по пути установки в каждый целик датчика,по показаниям которого бы осуществлялся контроль степени его устойчивости, также практически невозмолшо, так как это привело бы к увеличению датчиков на несколько сотен, кроме технических трудностей при обработке результатов измерений.

Научный поиск для решения поставленной задачи был направлен на установление закономерностей деформирования групп целиков и участков массива. Для условий сложного нагружения [75] .действующего на больших глубинах, были разработаны специальные типы сигнализаторов, позволяющих регистрировать процессы деформирования, происходящие с переменной скоростью и с малой величиной значений деформаций с дискретностью измерений до долей миллиметра [65,66] .Внутри таких локальных зон контроль деформирования осуществлялся с применением АСК "Массив 2М" [64, 83] .

Профилактические мероприятия при проведении передовых выработок

Для снижения вероятности динамических разрушений при проведении передовых выработок потребовалась разработка и опробование мероприятий по разгрузке отрабатываемого массива от повышенных напряжений. В условиях Миргалимасайского местрроадения такие мероприятия ранее не проводились.

Внедрение профилактических мероприятий сопряжено с дополнительными затратами, поэтому в каждом конкретном случае они определялись заново. Так при проходке самоходным оборудованием с мелкошпуровой отбойкой транспортного уклона с 9-го горизонта (глубина 240 м. ) на поверхность в предварительно напряженном массиве Биресекской синклинали на участке столкнулись с неуправляемым разрушением кровли выработки. Прочностные свойства пласта кровли оказались недостаточными для поддержания пролета. При этом уменьшение сечения выработки с целью сокращения пролета было невозможно, т.к. выработка была предназначена для транспорта самоходного оборудования.

В таких случаях для снижения концентрации напряжений на контуре рекомендуется изменение формы поперечного сечения выработки [1,41]. Для этого кровлю выполняют в виде шатра с замком, расположенным в соответствии с направлением действия максимального главного напряжения. В условиях Миргалимсанекого месторождения из-за слоистой структуры рудного массива придание сечению выработки шатровой формы неэффективно, так как это обусловит образование новых консолей и еще больше осложнит кровлю.

В данном конкретном случае было рекомендовано камуфяет-ное взрывание, для которого использовалась опережающая скважина на воду. Камуфлетное взрывание широко применяется в ударо-опасных условиях на многих месторождениях как в СССР [35,39,40], так и за рубежом [19,37,92]. Основная цель таких мероприятий заключается в достижении снижения напряжений в призабойной зоне за счет изменения механических свойств массива. В рассматриваемом же случае при проведении транспортного уклона величина напряжении, в сравнении с удароопасными условиями, невысокая. Поэтому камуфлетное взрывание только одной скважины оказалось достаточно для снижения напряжений до заданного уровня.

Длина разгрузочной скважины составляла 20 м, диаметр -0,076 м. Скважина в каждом цикле заряжалась на всю длину и взрывалась с миллисекундным опережением относительно забойных шпуров. Применение такой технологической схемы позволило пройти указанный уклон.

При достаточно высоком положительном эффекте у этого метода есть существенный недостаток. При такой длине скважины она в условиях нарушеннооти неизбежно уходит за контур рудного тела, а значит, отклоняется за контур будущей выработки, что в конечном счете приводит к разрушению ее бортов, а также снижает эффективность профилактических мероприятий, так как действие взрыва используется на опережающую разгрузку проводимой выработки лишь частично. Участок скважины, взрываемый за контуром выработки, не изменяет напряженно-деформированное состояние в зоне проходки. Из этого следует, что технологические скважины разведочного бурения на воду могут быть использованы только в условиях тектонически ненарушенного массива.

С аналогичным явлением столкнулись при проходке транспорт-ного штрека сечением 21,5 м в Западном геологическом блоке 25-го горизонта (глубина от поверхности - 650 м), при этом интенсивность и объем разрушений были значительно больше. Для этих условий на основе анализа горно-технической обстановки было принято решение изменять схему отработки: отказаться от выемки этой части блока камерами по простиранию и вести ее с доставкой руды силой взрыва без присутствия людей в очистном пространстве. В то же время для обеспечения проходки указанного транспортного штрека было решено использовать разгрузочную выработку малого сечения, в качестве которой проходился буровой штрек сечением 7,5 иг в 12 м по восстанию от транспортного штрека. Главным в такой технологической схеме является определение того минимального опережения, которое окажет достаточный разгрузочный эффект на основную выработку.

Буровой штрек проходился сводчатой формы, придание ему шатровой формы сразу же. было неэффективно, т.к. потребовался бы комплекс исследований для определения направления главных напряжений, который надо было бы повторять после каждого очередного цикла. Проект на проходку этого штрека, составленный на основе результатов исследований, предусматривал проведение выработки так, чтобы ее кровля вскрывала наиболее слабые пачки рудной залежи. В этом случае под действием горного давления сечение выработки приобрело полигональную устойчивую форму, а поскольку разрушению подвергались слабые пачки, то динамических явлений при проходке бурового штрека не наблюдалось.