Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
.1.1. Обеспечение безопасных условий труда по фактору горного давления на глубоких рудниках 10
1.2. Понятие о системе контроля напряженно-деформированного состояния и прогноза поведения массива горных пород 22
ГЛАВА 2. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗА ПОВЕДЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 29
2.1. Опыт создания и эксплуатации систем контроля 29
2.2. Организация систем контроля напряженно-деформированного состояния и прогноза поведения массива горных пород 39
2.3. Выводы по главе 56
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД 57
3.1. Критерии организации систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород 57
3.2. Определение критериев оценки состояния массива горных пород 72
3.3. Информационные основы выбора методов оперативного контроля состояния массива горных пород 98
3.4. Алгоритм работы системы контроля напряженно-деформированного состояния и прогноза поведения массива горных пород 107
3.5. Выводы по главе 115
ГЛАВА 4. АППАРАТУРА СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕШОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 117
4.1. Средства и методы изучения строения и свойств массива горных пород 117
4.2. Способ измерения напряжений в массиве горных пород путем сохранения исходных
осевых деформаций выбуриваемого керна 123
4.3. Разработка аппаратуры и принципов оперативного контроля состояния массива горных пород Таштагольского место рож денияметодом акустической эмиссии 129
4.4. Выводы по главе 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 158
ЛИТЕРАТУРА 161
ПРИЛОЖЕНИЯ 172
- Обеспечение безопасных условий труда по фактору горного давления на глубоких рудниках
- Опыт создания и эксплуатации систем контроля
- Критерии организации систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород
- Средства и методы изучения строения и свойств массива горных пород
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" намечено значительное увеличение добычи полезных ископаемых по сравнению с уровнем 1980 года. Выполнение задач, поставленных перед горнодобывающими отраслями промышленности, связано с ростом интенсивности отработки месторождений при постепенно увеличивающейся глубине ведения горных работ, которая уже в настоящее время достигает 1-1,5 километров. Так на рудниках и шахтах Норильского горнометаллургического комбината и Кривбасса глубина добычи превышает один километр и в ближайшей перспективе составит 1,5-1,7 километра. Более 70% богатых магнетитових руд Урала залегают на глубине 0,6-2,0 километра. В Донбассе 49% антрацита залегают на глубине 0,6-1,8 км. Такие рудники,как Хайдарканский ртутный, Кадамджайский сурьмяный, Адрасманский свинцово-цинковый и другие имеют перспективу глубины отработки до километра и более [,11.
Больших глубин достигли подземные горные работы за рубежом. На рудниках "Чемпион Риф" (Индия) и "Витватерсранд" (ЮАР) глубина разработки составляет 4,5 километра. В ФРГ средняя глубина разработки каменноугольных шахт возросла с 679 метров в 1965 году до 851 метра в 1979 году и должна составить 1100 метров в 2000 году.
Рост глубины разработки и интенсивности горных работ привел к тому, что уже в настоящее время 40 рудных месторождений страны отнесены к угрожаемым по горным ударам /"ЗУ, на 140 шахтах отрабатываются шахтопласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа [Ц]. Заколообразование, стреляние и шелушение горных пород в очистных и подготовительных выработках встреча- ются на значительно большем числе горных предприятий. Установлено, что с увеличением глубины пропорционально растут и напряжения в массиве горных пород, а значит и возможность динамических проявлений горного давления. Поэтому по мере перехода горнодобычных работ на новые, более глубокие горизонты такие проявления усиливаются и происходят чаще, что отрицательно влияет на технологию и безопасность горных работ.
Опыт отработки рудников и шахт как в СССР, так и в других странах показал, что, начиная с некоторой, достаточно большой глубины, решить проблему обеспечения безопасных условий труда по фактору горного давления не всегда возможно с помощью использования технологических или профилактических мероприятий. Отсюда вытекает необходимость разработки такого подхода к борьбе с опасными последствиями горнодинамических явлений, который, сохраняя возможность повышения производительности труда и снижения потерь полезного ископаемого, позволил бы предотвратить гибель людей и оборудования в результате горных ударов, вывалов, обрушений и так далее.
В результате исследований, проведенных в I976-1981годах в лаборатории "Проблем горного давления при разработке месторождений твердых полезных ископаемых" ИПКОН АН СССР, было установлено, что такой подход может быть основан на создании систем контроля напряженно-деформированного состояния и прогноза поведения массивов горных пород. Эти исследования проводились в рамках темы "Научные основы создания системы прогноза и контроля напряженного состояния массива при разработке рудных месторождений на больших глубинах" на основании плана научно-исследовательских работ Института на I979-I98I годы, а также рассматривались в ходе работ по этапу Тб проблемы 0.09.0I.0L.0I.0I "Раз- 'работать методику определения показателей системы непрерывного ' контроля и регистрации напряженного состояния горных массивов в зонах очистных работ для осуществления прогнозирования и предупреждения горных ударов и определения безопасных параметров очистной выемки, выдать исходные данные для применения системы в промышленных условиях", проводившихся на основании постановления ГКНТ' № 430 от 26.12.1976 года и распоряжения по Академии наук СССР Р І0І03 от 2.02.1977 года.
В данной диссертации, выполненной под руководством профессора, доктора технических наук С.В.Кузнецова - научного руководителя исследований по этим темам, отражены результаты, полученные в ходе проводившихся по обоим темам работ, в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Основная идея работы заключается в том, что необходимый уровень безопасности по фактору горного давления должен достигаться не только за счет мер по предотвращению горнодинамических явлений, но также и за счет своевременного выявления зон формирования очагов горнодинамических явлений, прогноза развития этих зон и оценки эффективности профилактических мероприятий с помощью систем контроля напряженно-деформированного состояния и прогноза поведения массивов горных пород. В этих системах должно осуществляться как долгосрочное прогнозирование поведения массива на шахтных полях и участках, отработка которых еще не начата, так и текущий оперативный контроль состояния и прогноз поведения эксплуатируемых участков массива горных пород.
К началу работ над указанными темами- в понимании структуры, состава и самого назначения таких систем отсутствовала достаточно полная определенность, что и обусловило круг задач, которые были поставлены и решались в ходе проводившихся исследова- ний. Этими задачами являлись: - Разработка основных положений обеспечения безопасности работ по фактору горного давления при использовании систем контроля и прогноза. - Разработка блок-схемы систем контроля и прогноза и алгоритма снижения вероятности неспрогнозированных динамических проявлений горного давления при использовании этих систем. - Определение принципов обработки информации в системах контроля и прогноза, в частности - метода выбора критериев оценки состояния массива горных пород по данным инструментальных наблюдений на разных этапах горных работ. - Определение и совершенствование базовой совокупности инструментальных методов оценки состояния массива горных пород.
Основные научные выводы заключаются в следующем. - Разработан метод формирования систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, включающий: оценку вероятности горнодинамических явлений на руднике, расчет необходимой надежности инструментального оперативного контроля, выбор методов и средств оперативного контроля, определение критериев оценки состояния массива, обеспечивающих необходимый уровень безопасности и технико-экономическую оптимизацию системы контроля и прогноза. - Показано, что необходимая надежность оперативного контроля определяется по результатам сравнения вероятности горнодинамических явлений с предельно допустимой вероятностью неспрогнозированных горнодинамических явлений. - Показано, что метод акустической эмиссии обеспечивает необходимую надежность оперативного контроля на руднике Таштагол. - Установлено, что при измерении напряжений в массиве горных пород с использованием принципа жесткого защемления обуриваемого керна не требуется определение модуля упругости, что снижает погрешность измерений и повышает достоверность долгосрочного прогноза вероятности горнодинамических явлений. Научная новизна работы: - Составлен алгоритм снижения вероятности неспрогнозированных горнодинамических явлений, основанный на поэтапной переработке данных, накапливаемых по мере развития горных работ. - С учетом амплитудного распределения акустоэмиссионных сигналов и особенностей их затухания в массиве горных пород определено дальнодействие первичных преобразователей автоматизированной многоканальной станции в условиях Таштагольского рудника, на основании чего выработаны рекомендации об их расположении и количестве. - Разработан способ измерения напряжений в массиве горных пород, реализующий принцип жесткого защемления обуриваемого керна.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обеспечивается обоснованностью исходных научных положений, применением апробированных теоретических методов исследований, надежностью использованных опытных данных, а также использованием рекомендаций автора при создании опытной системы прогноза горных ударов на Таштагольском руднике, результатами апробации работы и публикацией ее основных разделов.
Научную и практическую ценность представляют разработанные принципы создания систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, которые позволяют обеспечить минимизацию среднего экономического риска, связанного с ведением работ в условиях возможных динамических проявлений горного давления, за счет учета изменений геомеханической обстановки, возникающих в процессе отработки месторождений.
По результатам исследований разработаны "Технические условия на разработку многоканальной микросейсмической станции для контроля и прогноза состояния массивов горных пород по динамическим проявлениям горного давления", которые переданы НПО "Дальстандарт" и используются им при разработке аппаратуры локации источников акустической эмиссии массивов горных пород, и "Методические основы создания систем контроля и прогноза состояния и поведения массивов горных пород, при разработке месторждений твердых полезных ископаемых", принятые ПО "Сибру-да Минчермета СССР для создания опытной системы прогноза горных ударов на Таштагольском руднике.
Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались на УІ Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1978 г.), Первом Всесоюзном симпозиуме "Подземная разработка руд на больших глубинах" (Москва, 1979 г.), заседании ученого совета Института проблем комплексного освоения недр АН СССРДМосква, 1981 г.)
По результатам выполненных по теме диссертации работ опубликовано 5 статей, получено авторское свидетельство на изобретение .
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 170 страниц, из них машинописного текста - 123 страницы, таблиц - 6., рисунков - 29. В списке литературы -4G0 наименований.
Обеспечение безопасных условий труда по фактору горного давления на глубоких рудниках
Поиск путей повышения производительности труда на рудниках и шахтах в странах с развитой горнодобывающей промышленностью проявляется, в частности, в тенденции широкого использования высокопроизводительной техники большой мощности, такой как самоходное оборудование, что позволяет повысить интенсивность извлечения полезных ископаемых в соответствии с растущими потребностями народного хозяйства в сырье. Такое оборудование требует при использовании подземного способа добычи создания сравнительно больших рабочих пространств и транспортных выработок, которые могли бы обеспечить равномерную отбойку и транспортировку больших масс полезного ископаемого и вмещающих пород.
В нашей стране примером использования такой техники и технологии могут служить рудники Норильского горно-металлургического комбината и производственного объединения "Апатит". Крупные объемы горных работ будут осуществлены на предприятиях цветной металлургии - джезказганском, Норильском, Тырныаузском, Ленино-горском, Зыряновском и других комбинатах. На базе рудных бассейнов созданы и создаются крупнейшие по объему добычи производственные объединения "Уралкалий" (добыча сырой руды в 1990 году -82 млн. тонн), "Кривбассруда" (67 млн. тонн), "Беларускалий"(40 млн. тонн), "Апатит" (29 млн. тонн), "Каратау" (20 млн. тонн).
Известно, что создание в массивах горных пород больших рабочих пространств и транспортных выработок приводит к существенному увеличению концентрации напряжений, в частности в конструктивных элементах систем разработки, а высокие темпы развития горных работ, как правило, исключают возможность релаксации напряжений, что также способствует повышению опасности динамических проявлений горного давления [5,6].
Таким образом, в перспективе с ростом интенсивности и валового объема добычи полезных ископаемых при увеличивающейся глубине горных работ будут более часто возникать такие ситуации, при которых могут происходить горно-динамические явления.
На рудниках и шахтах, опасных по динамическим проявлениям горного давления, делается попытка использования таких вариантов систем разработки , которые в технологическом комплексе со специальными профилактическими мероприятиями или сами по себе обеспечивали бы предотвращение горно-динамических явлений. При этом, как правило, основываясь на результатах наблюдений и исследований, связанных со свойствами горных пород и состоянием массива, устанавливают степень потенциальной опасности динамических проявлений горного давления и необходимость проведения профилактических мероприятий на отрабатываемом участке или месторождении. Однако накопленный в нашей стране и в мировой практике опыт борьбы с обручениями и горными ударами, а также с внезапными выбросами породы, угля и газа показывает, что при технически осуществимых и экономически целесообразных профилактических мероприятиях не всегда возможно достаточно эффективно управлять поведением массива таким образом, чтобы в нем не могли иметь место опасные динамические проявления горного давления. Например, данные по Донбассу показывают, что, несмотря на наличие служб прогноза и большие затраты на мероприятия по борьбе с динамическими проявлениями на шахтах, в 1957 году было зарегистрировано 86 выбросов и отжимов угля, в 1967 году - 190, а в 1977 году - 204 (таблица I.I.)
Опыт создания и эксплуатации систем контроля
Системы контроля следует отличать от систем управления, в частности автоматизированных систем управления. Главное отличие состоит в том, что работа систем контроля не включает непосредственно операций по управлению состоянием объекта, однако получаемая от них информация может быть использована, наряду с другими данными, для принятия решения о необходимости корректирующих воздействий на объект и характере этих, воздействий. Таким образом, система контроля может быть интегрирована в качестве самостоятельного элемента в систему управления, что соответствует тенденции к формированию систем управления с децентрализованными структурами /47/
Рассматривая собственно системы контроля, такие как системы контроля загрязнения воздушного бассейна выбросами промышленных предприятий, системы контроля геологоразведочных работ, системы контроля качества продукции и другие, можно выделить ряд основных черт, присущих этим системам и характеризующих их общие свойства и различия / 48-54 /.
Определяющее влияние на структуру систем контроля оказывает то, что они, как правило, следят за результатами влияния того или иного технологического процесса ,на объект воздействия. При этом в качестве объектов воздействия могут выступать окружающая среда, предметы производства, транспортные потоки.
Контроль состояния объекта не требует, как правило, определения и выдачи точных количественных значений измеряемых параметров, а основывается на классификации состояния объекта по принадлежности этих значений к одному из заранее установленных интервалов, которые соответствуют качественно различным оценкам состояния объекта. Такая работа систем контроля требует, естественно, предварительного изучения характера (механизма) поведения объекта, составления рабочей модели поведения объекта, определения наиболее информативных диагностических показателей (признаков) и их критических значений, то есть определения интервалов классификации, составления алгоритма контроля.
Из. приведенных особенностей работы систем контроля вытекают и некоторые специфические требования, которые к ним предъявляются. Объем информации, получаемой с помощью таких систем, должен быть минимальным, но достаточным для характеристики состояния объекта и выбора способов воздействия на него. В некоторых случаях, правда, системы контроля разрабатываются с учетом потребности в каких-либо более широких или детальных исследованиях. Как правило, это имеет место при контроле состояния объектов, в которых возможно проявление незапрограммированных свойств, внешних воздействий и других факторов. В системах контроля, следовательно, преобладающая часть информации вводится в канал обратной связи и передается в сферу управления технологическим процессом и лишь незначительная часть информации может использоваться для чисто исследовательских целей. Системам контроля свойственна, обычно, иерархическая обработка информации, при которой приоритет во времени обработки и сам характер работы системы зависит по-разному от поступления информации о параметрах, относящихся к различным группам. К первой группе параметров относятся те, отклонение которых от нормального значения даже на короткое время может привести к возникновению аварийных ситуаций. Ко второй группе относятся параметры, кратковременные отклонения которых существенно на характере оценки не сказываются, причем их информативная ценность заключена в долговременной динамике значений (например в изменении среднего значения показателей в теченв определенного периода времени). Параметры третьей группы используются для расчета средних технико-экономических показателей /49/»
Критерии организации систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород
Поэтому важной характеристикой напряженно-деформированного состояния и устойчивости массива является вероятность разрушения его участков, прилегающих к выработкам, то есть вероятность динамических проявлений горного давления. Использование на рудниках и шахтах систем контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния массивов горных пород позволяет подойти к решению проблемы обеспечения безопасных условий труда, акцентируя внимание на предотвращении не столько горно-динамических явлений, сколько их опасных последствий. Это означает, что при использовании систем контроля и прогноза вместо задачи снижения вероятности горно-динамических явлений решается задача снижения вероятности неожиданных, не спрогнозированных горно-динамических явлений до принятого допустимо низкого уровня. Эта цель может быть достигнута как за счет снижения вероятности горно-динамических явлений, так и за счет повышения надежности выявления зон подготовки очагов этих явлений. Таким образом, при использовании систем контроля и прогноза должно выполняться следующее условие где Гн - вероятность спрогнозированного горно-динамического явления, \4 - вероятность неправильной оценки состояния массива в зоне подготовки очага горно-динамического явления при оперативном контроле, \ъ - вероятность горно-динамического явления при использовании системы контроля и прогноза, LKJ - предельная допустимая величина не спрогнозированных горно-динамических явлений.
Ключевое значение при использовании указанного подхода играет выбор предельно допустимой вероятности горно-динамических явлений L К J.
Рассмотрим в связи с этим изменение вероятности горно-динамических явлений на Таштагольском руднике. Оценка вероятности производилась по отношению Lp/L, где Lp - суммарная длина обрушений в выработках соответствующего горизонта, лежащих в зоне влияния очистных работ или вне этой зоны, L - общая длина таких выработок. Полученные для различных горизонтов рудника данные приведены в таблице 3.1, причем следует иметь в виду, что горные работы продолжаются на горизонтах (-70м), (-140м), (-210м).
Средства и методы изучения строения и свойств массива горных пород
Как отмечалось в главе І, в настоящее время известен широкий круг методических и аппаратурных разработок, которые могут быть использованы при создании систем контроля и прогноза в конкретных условиях. Эти средства и методы, входящие в подсистемы долгосрочного прогноза и оперативного контроля, должны обеспечить достижение необходимых значений /} и псі - вероятностей горно-динамического явления и его своевременного прогноза, равных, согласно таблице 3.2
В наиболее общем случае приборы, оборудование, средства обработки и анализа сигналов, переработки и хранения информации, входящие в систему контроля и прогноза напряженно-деформированного , состояния массива горных пород, должны обеспечить выполнение следующих работ в связи с реализацией долгосрочного прогноза и оперативного контроля (рис. 4.1):
а) измерение исходных напряжений в массиве горных пород;
б) измерение дополнительных напряжений, связанных с отработкой месторождения;
в) измерение смещений (деформаций) различных участков массива и элементов горных конструкций;
г) геологическое и геофизическое изучение особенностей строения и свойств массива;
д) лабораторное и натурное определение прочностных и деформационных свойств горных пород и элементов массива;
е) моделирование или расчет напряженно-деформированного состояния массива горных пород и устойчивости отдельных конструктивных элементов системы разработки;
ж) выявление предвестников разрушения массива горных пород и отдельных его элементов, а также контроль за развитием этих предвестников.
