Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, доктор наук Сидоров Дмитрий Владимирович

• Сидоров Дмитрий Владимирович
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Сидоров Дмитрий Владимирович

Введение

Глава 1 Концепция развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах

1.1 Общие положения

1.2 Анализ горно-геологических и горно-технических условий разработки месторождений

1.3 Факторы проявления удароопасности и технологические решения по повышению безопасности применения КССР

1.4 Оценка эффективности и достаточности применяемых методов определения параметров КССР на шахтах СУБРа

1.5 Оценка эффективности и достаточности применяемых методов прогноза и предотвращения горных и горно-тектонических ударов на шахах СУБРа

1.6 Основные направления развития геомеханического обеспечения КССР в удароопасных условиях на больших глубинах

Выводы по главе

Глава 2 Геомеханическое обеспечение расчета допустимых параметров КССР

2.1 Анализ устойчивости междукамерных целиков в выработанном пространстве рудной залежи

2.2 Определение допустимой ширины междукамерных целиков с учетом их остаточной прочности

2.3 Определение допустимых размеров выработанных пространств

2.4 Определение параметров профилактических мероприятий для обеспечения безопасной отработки участков рудной залежи, превышающих допустимые размеры выработанных пространств

2.5 Определение допустимых пролетов кровли очистных камер при наличии в выработанном пространстве барьерных целиков

Выводы по главе

Глава 3 Геомеханическое обеспечение автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов

3.1 Принципы геодинамического моделирования участков шахтных полей

3.2 Методология комплексной оценки геомеханического состояния блочного массива горных пород

3.3 Методика оценки напряженно-деформированного состояния рудной залежи с учетом запредельного деформирования междукамерных целиков в выработанном пространстве

3.4 Методика определения допустимых параметров скважинной разгрузки

3.5 Методика оценки напряженно-деформированного состояния рудной залежи и целиков с учетом влияния тектонических нарушений

Выводы по главе

Глава 4 Программное обеспечение автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горнотектонических ударов

4.1 Структура и функциональные возможности программного обеспечения

4.2 Автоматизация программного обеспечения

4.3 Прогнозирование напряженно-деформированного состояния и разрушения массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений

4.4 Определение параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов при применении КССР

Выводы по главе

Глава 5 Опытно-промышленные испытания геомеханического обеспечения

5.1 Опыт применения расчетных параметров КССР на шахтах СУБРа

5.2 Натурные исследования, физическое моделирование и численные расчеты напряженно-деформированного состояния рудной залежи и целиков

5.3 Натурные исследования и численно-аналитические расчеты параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных ударов

5.4 Натурные исследования и численно-аналитические расчеты напряженно-деформированного и удароопасного состояния массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений

Выводы по главе

Глава 6 Практические рекомендации по применению геомеханического обеспечения

6.1 Руководство по выбору параметров камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных залежей

6.2 Технология компьютерного моделирования напряженно-деформированного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков

6.3 Использование автоматизированной системы прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при решении геомеханических задач, возникающих на других горнодобывающих предприятиях

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Том

Приложение А Статистические данные карточек горных ударов, расследованных на

шахтах ОАО «Севуралбокситруда»

Приложение Б Допустимые размеры рудных междукамерных целиков, представленных

типичными разновидностями бокситовых руд

Приложение В Допустимые размеры выработанных пространств для случаев, когда основная и непосредственная кровля представлена известняками, а рудная залежь

типичными разновидностями бокситовых руд

Приложение Г Допустимые размеры выработанных пространств для случаев, когда основная кровля представлена известняками, непосредственная кровля известково-глинистыми сланцами III класса, а рудная залежь типичными разновидностями

бокситовых руд

Приложение Д Допустимые размеры выработанных пространств для случаев, когда основная кровля представлена известняками, непосредственная кровля известково-углисто-глинистыми сланцами IV класса, а рудная залежь типичными разновидностями

бокситовых руд

Приложение Е Результаты оценки объемов и стоимости бурения разгрузочных скважин в

зависимости от глубины ведения горных работ

Приложение Ж Допустимые размеры рудных барьерных целиков, представленных

типичными разновидностями бокситовых руд

Приложение З Значения компонент тензора напряжений в массиве горных пород,

полученные с учетом использования методов ГИУ и МКЭ

Приложение И Функциональное назначение кнопок панелей инструментов, вспомогательных окон и электронных таблиц программного обеспечения «PRESS 3D

URAL»

Приложение К Схемы и результаты прогнозирования устойчивости междуэтажных целиков при применении камерной системы разработки с последующим обрушением

покрывающих пород

Приложение Л Расчетные схемы к оценке допустимых расстояний между сопряжениями

погрузочных заездов

Приложение М Документы, удостоверяющие внедрение геомеханического обеспечения на горнодобывающих предприятиях

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Алюминиевый комплекс России испытывает дефицит в бокситовом сырье, что вынуждает производителей импортировать руду. Намечаемые к 2030 году масштабные структурные изменения в оборонно-промышленном комплексе, авиастроении, судостроении, атомной энергетике, транспорте и строительстве, предусмотренные государственными отраслевыми программами, требуют существенного увеличения производства алюминиевой продукции и, как следствие, развития минерально-сырьевой базы по бокситам. При этом важнейшей задачей развития российской алюминиевой промышленности является замещение импортного бокситового сырья отечественным.

В России ежегодно около 65% высококачественных бокситов добывается подземным способом (3,3 млн т) на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, разрабатываемых ОАО «Севуралбокситруда» (ОАО «СУБР»). Конкурентоспособные запасы боксита сконцентрированы на рудных месторождениях Красная Шапочка, Кальинское, Ново-Кальинское, Черемуховское и Сосьвинское и подтверждены до глубины 2000 м с перспективой отработки более чем на 100 лет.

Для реализации программных задач «Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года» на ОАО «СУБР» планируется увеличение мощности по добыче бокситов. При этом эффективное развитие российской минерально-сырьевой базы алюминиевой отрасли осложняется необходимостью вовлечения в отработку запасов руды Североуральских бокситовых месторождений на больших глубинах, характеризующихся сложными горно-геологическими, горно-техническими и геодинамическими условиями.

Основной объем запасов (более 85 %) Североуральских бокситовых месторождений отрабатывается камерно-столбовой системой разработки (КССР), отличающейся простотой, высокими технико-экономическими показателями и управлением горным давлением при помощи целиков. В то же время применение данной системы в удароопасных условиях без использования комплекса специальных противоударных мероприятий зачастую приводит к разрушению очистных выработок, целиков, травмированию горнорабочих, необходимости остановки горных работ, проведения расследований и, как следствие, к снижению эффективности добычи бокситового сырья.

Анализ актов расследований случаев горных ударов на существующих глубинах, превышающих 800 м, показал, что основной причиной нарастания геодинамических процессов, связанных с разрушением опорных целиков и краевых частей рудной залежи, является неучет действовавшими методиками ряда геомеханических процессов, существенно проявивших себя

на больших глубинах. В их числе: формирование зон предельно-напряженного состояния в краевой части рудной залежи и барьерных целиках, разупрочнение междукамерных целиков, разрушение поверхностей сместителей тектонических нарушений, формирование неоднородного техногенного поля напряжений в рудной залежи в результате ее неравномерной изрезанности горными работами, влияние сложной морфологии и литологии рудной залежи и ряда других факторов.

Ввиду того, что обеспечение безопасного ведения горных работ является обязательным для горно-добывающих предприятий, развитие геомеханического обеспечения КССР удароопасных залежей на больших глубинах в части модернизации существующих, создании и научном обосновании новых методов расчета допустимых параметров конструктивных элементов КССР, программных средств прогнозирования и профилактики горных ударов становится важной актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить безопасность ведения горных работ и обеспечить стабильный объем добычи бокситовой руды в удароопасных условиях.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Диссертационные исследования выполнены в рамках проекта № 15104 «Геомеханические исследования устойчивости массива горных пород в зонах разрывных тектонических нарушений», Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» Министерства образования и науки Российской Федерации; государственного контракта № 6.30.007 «Разработка конкурентоспособных ресурсосберегающих технологий подземной и открытой отработки месторождений твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях при высоком уровне концентрации горных работ», в соответствии с планами научно-исследовательских работ Межотраслевой координационной программы «Геодинамическая безопасность» Ростехнадзора.

Из основных, выполненных по тематике диссертации научно-исследовательских работ на крупнейших горно-добывающих предприятиях минерально-сырьевого комплекса России (ОАО «Севуралбокситруда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др.), разрабатывающих удароопасные рудные месторождения сложного геологического строения на больших глубинах, в которых отражаются актуальность, теоретические положения и практические результаты диссертационного исследования, можно выделить следующие: «Оценка безопасных условий применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) при отработке удароопасных бокситовых месторождений Североуральска на современных глубинах и разработка рекомендаций по параметрам КССР для глубины 1000 м и более» (1999-2003 гг.), «Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы

разработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», отрабатывающих месторождения с глубиной 1000 м и более» (2004 г.), «Разработать компьютерную модель блочной структуры шахты «Кальинская» ОАО «СУБР» (2004), «Выполнить оценку соответствия применяемых на шахтах 14-14бис и «Кальинская» ОАО «Севуралбокситруда» систем разработок горногеологическим и горно-техническим условиям их применения» (2005 г), «Разработать и внедрить программный комплекс «PRESS 3D URAL» для перспективной и текущей оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений» (2006-2007 гг.), «Разработка дополнения к Проекту «Камерно-столбовая система разработки бокситовых месторождений на глубине 1000 и более метров на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки» (2011 г.), «Разработка методики для оценки эффективности разгрузочных скважин при формировании защищенных зон» (2006 г.), «Разработка структуры геомеханического модуля к программному обеспечению Mincom MineScape» (2008 г.), «Проведение анализа и разработка рекомендаций по выделению нагруженных блоков в сейсмоактивных зонах» (2011 г.); «Регламент на отработку подземным способом прибортовых и подкарьерных запасов Коашвинского месторождения ОАО «Апатит»» (2009 г.).

Цель работы. Повышение безопасности ведения горных работ камерно-столбовой системой разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.

Основная идея работы заключается в том, что повышение безопасности применения КССР в удароопасных условиях больших глубин разработки достигается за счет развития геомеханического обеспечения КССР, позволяющего получать научно-обоснованные решения по выбору допустимых параметров управления горным давлением и удароопасным состоянием рудной залежи и междукамерных целиков.

Основные задачи исследований:

1. Изучить процессы деформирования междукамерных целиков на больших глубинах в шахтных условиях и выполнить оценку их механического состояния при различных размерах выработанных пространств, прочностных и деформационных характеристиках междукамерных целиков.

2. Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на междукамерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях аналитический метод определения их допустимой ширины с учетом их механического состояния.

3. Разработать и апробировать в шахтных условиях аналитический метод определения безопасных размеров выработанных пространств на основе теории предельного состояния

(опорного давления) с учетом механического состояния междукамерных целиков в выработанном пространстве.

4. Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на барьерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях аналитический метод определения их допустимой ширины с учетом влияющих факторов.

5. Разработать на основе численных алгоритмов программный комплекс, позволяющий оперативно прогнозировать параметры напряженно-деформированного и удароопасного состояния на участках рудной залежи с учетом резкого изменения гипсометрии, конфигурации краевой части и физико-механических свойств рудной залежи и целиков, наличия тектонических нарушений и параметров скважинной разгрузки.

Объектом исследования являются удароопасные рудные месторождения Североуральского бокситового бассейна.

Предметом исследования является система геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.

Методология и методы исследований. Основной теоретической базой диссертационных исследований является теория горных ударов. Для достижения поставленной цели также использовался комплекс методов исследований, включающий: научный системный анализ и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований российских и зарубежных ученых в области геомеханических и геодинамических процессов, происходящих при отработке рудных месторождений с оставлением целиков различного назначения при применении систем разработки с естественным поддержанием кровли очистного пространства, с обрушением вмещающих пород и руд и с закладкой выработанного пространства; методы сопротивления материалов, теории упругости, пластичности, механики сплошной среды, вычислительной математики; лабораторные методы с применением эквивалентных материалов; аналитические исследования напряженно-деформированного, удароопасного состояния и устойчивости целиков с применением инновационных технологий компьютерного моделирования; анализ данных карточек горных ударов и протоколов комиссионных обследований состояния целиков и горных конструкций в условиях динамических форм проявления горного давления.

Полученные результаты исследований сопоставлялись с данными натурных наблюдений и практики ведения горных работ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены направления развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах, позволяющие значительно повысить безопасность применения КССР и развивающие теорию механики

горных ударов, управления горным давлением и удароопасным состоянием рудной залежи и целиков.

2. Установлены закономерности изменения напряженного состояния и устойчивости междукамерных целиков с учетом влияния различных горно-геологических и горно-технических факторов, позволяющие заключить, что на глубинах, превышающих 800 м, междукамерные целики не выдерживают нагрузок от давления вышележащих пород, разрушаются и переходят на остаточную прочность для всех разновидностей бокситовых руд. Неучет запредельного режима деформирования приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, сложенных мягкими и средней крепости рудами.

3. Усовершенствована методика определения модуля спада с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды, обеспечивающего резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд, а также позволяющее избегать завышения эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.

4. Выявлено, что основное влияние на допустимую ширину барьерных целиков оказывает мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целиков и определено оптимальное соотношение «ширина-высота» барьерных целиков по обеспечению их несущей способности и исключению в них горных ударов, равное 3,0-3,5.

5. Развит метод граничных интегральных уравнений пространственной задачи теории упругости, позволяющий осуществлять количественную оценку напряженного состояния рудной залежи и целиков с дополнительным учетом влияния зон разрушения на контактной поверхности сместителя крупноамплитудного тектонического нарушения.

6. Усовершенствовано выражение для определения модуля спада, в котором предложено дополнительно учитывать коэффициенты интенсивности напряжений и предельные разрушающие касательные напряжения паспорта контактной прочности руды для прогнозирования удароопасности рудной залежи и целиков.

7. Разработаны численные алгоритмы для применения аналитического модуля программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков, а также определения параметров заблаговременной скважинной разгрузки удароопасных зон.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение безопасности применения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах требует комплексного подхода, основанного на применении предлагаемой концепции развития геомеханического обеспечения камерно-

столбовой системы разработки с учетом изменения характера влияния природных и техногенных факторов на состояние выработок и горных конструкций.

2. Определение несущей способности и допустимой ширины междукамерных целиков при больших глубинах ведения горных работ и развитых выработанных пространствах должно осуществляться с учетом их остаточной прочности. Неучет этого условия приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, представленных разновидностями мягких и средней крепости руд.

3. Определение допустимых пролетов выработанного пространства с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды дает резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд. В то же время неучет действия касательных напряжений при применении скважинной разгрузки приводит к завышению эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.

4. В условиях отработки удароопасных рудных залежей переменной мощности и прочности с формированием в выработанном пространстве барьерных целиков, оптимальными по несущей способности и исключению в них горных ударов являются барьерные целики с соотношением ширины к высоте 3,0-3,5.

5. Безопасное применение камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях обеспечивается заблаговременной скважинной обработкой удароопасных зон, выявление которых достигается на основе перспективного прогнозирования напряженного и удароопасного состояния с применением автоматизированного программного комплекса «PRESS 3D URAL».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается: корректностью применяемого математического аппарата; систематическим использованием шахтных данных за проявлением горного давления; решением тестовых примеров; сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений.

Практическая значимость работы:

1. Разработан аналитический метод определения допустимой ширины податливых междукамерных столбчатых и ленточных целиков.

2. Разработан аналитический метод определения допустимых размеров выработанного пространства между несущими опорами (краевыми частями рудной залежи, барьерными целиками).

3. Разработан аналитический метод определения допустимой ширины несущих барьерных целиков.

4. Разработан программный комплекс «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния и удароопасности рудной залежи и целиков различного назначения, параметров заблаговременной скважинной разгрузки при применении систем разработки в сложных горно-геологических, горно-технических и удароопасных условиях.

5. Разработано практическое руководство по выбору параметров конструктивных элементов КССР на больших глубинах в удароопасных условиях разработки Североуральских бокситовых месторождений.

Реализация результатов работы.

Результаты научных исследований доведены до практического внедрения и используются на рудниках и шахтах ОАО «Севуралбокситруда», ОАО «ГМК Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др. (подтверждается актами и справками о внедрении).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических советах Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2013 гг.), Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2013 гг.), ОАО «Севуралбокситруда» (г. Североуральск, 2003-2011 гг.), I-IV международных конференциях «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010-2013 гг.), международных научно-технических конференциях «Инновации в системах контроля, управления, защит и мониторинга безопасности в горной промышленности» (г. Катовице, Польша, 2012-2013 гг.), научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки удароопасных месторождений» (г. Норильск, 2012 г.), VI и X международной научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2008-2012 гг.), конференции «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2011 г.), международной научно-технической конференции «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (г. Донецк, Украина, 2011 г.), V-VII международных научно-практических конференциях «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (г. Пермь, 2009-2011 гг.), международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.), XXI Всемирном горном конгрессе (г. Краков, Польша, 2008 г.), «Конференциях победителей XIV-XV конкурсов научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса» (Москва, 2006-2007 гг.).

Личный вклад автора состоит:

- в анализе и обобщении существующих методов оценки напряженного и удароопасного состояния краевой части рудной залежи и целиков различного назначения;

- в выявлении основных горно-геологических и горно-технических факторов, осложняющих ведение горных работ камерно-столбовой системой разработки на современных глубинах;

- в разработке и научном обосновании геомеханического обеспечения (инженерной методики расчета допустимых размеров выработанных пространств, ширины барьерных, междукамерных столбчатых и ленточных целиков) и практических рекомендаций по применению КССР в условиях больших глубин и удароопасности Североуральских бокситовых месторождений;

- в совершенствовании численного метода расчета напряжений в конструктивных элементах камерно-столбовой системы разработки с совокупным учетом широкого диапазона горно-геологических и горно-технических факторов: произвольных в размере и по конфигурации выработанного пространства и конструктивных элементов, произвольного месторасположения конструктивных элементов относительно границ выработанного пространства, различных физико-механических свойств вмещающих пород и руды, мощности рудной залежи, параметров тектонических нарушений и толщины разгрузочной щели;

- в разработке методического обеспечения и программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния, выявления удароопасных зон и определения параметров заблаговременной разгрузки рудной залежи скважинами большого диаметра.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации представлены в 40 опубликованных работах, из них 16 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки России. Получено 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 505 наименований и 12 приложений, изложена в 2-х томах на 562 страницах машинописного текста, содержит 338 рисунков и 62 таблицы.

Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту д-ру техн. наук Шабарову А.Н., сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства и кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ОАО «ВНИМИ», специалистам горнодобывающих предприятий ОАО «Севуралбокситруда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит», ОАО «Воркутауголь» и др. за помощь в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

ГЛАВА 1 КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО БОКСИТОВОГО БАССЕЙНА НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

1.1 Общие положения

Для обеспечения стабильности геополитической и экономической безопасности России реализуется единая государственная политика в решении проблемы динамичного развития горно-металлургической промышленности, основным направлением которой является решение проблем по развитию сырьевой базы [384, 437].

Концептуальные и методологические подходы к поиску стратегических путей решения подобных проблем горного производства в разные годы разрабатывались ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами под руководством известных ученых: акад. К.Н. Трубецкого [392, 393], акад. Н.Н. Мельникова [194, 198], проф. Д.Р. Каплу-нова [128, 130], проф. В.Н. Опарина [237], проф. А.Г. Протосени [283], проф. А.А. Еременко [86], проф. Картозии Б.А. [136], проф. И.М. Петухова [258], проф. Ю.П. Галченко [41], проф. М.А. Иофиса [122] и др., свидетельствующих о необходимости проведения комплексных научно-исследовательских работ по развитию способов повышения промышленной безопасности и экономической эффективности разработки месторождений полезных ископаемых в связи с ухудшением горно-геологических, горно-технических, геомеханических и геодинамических условий на больших глубинах.

Региональным проблемам и перспективам развития горно-добывающего комплекса посвящены многочисленные работы под руководством известных ученых Северо-Западного региона: проф. Н.Н. Мельникова, проф. А.А. Козырева и др. [143, 147, 153, 327], Уральского региона: проф. Д.Р. Каплунова [129], В.В. Радько [287], проф. А.Д. Сашурина [345, 347, 348, 389], Сибирского региона: проф. М.В. Курлени [183], проф. В.Н. Опарина [231, 233-236], проф. А.А. Еременко [78-80, 84], проф. Б.В. Шреппа [434], проф. П.В. Егорова [69], проф. A.M. Фрейдина [411], д.т.н. В. А. Еременко и др. [83, 90, 91, 93-96], Дальневосточного региона: проф. И.Ю. Рас-сказова и др. [306-308, 314, 315, 320, 321], отражающие результаты многолетних научных исследований, выполненных на рудниках, разрабатывающих удароопасные месторождения в различных горно-геологических, горно-технических и геомеханических условиях.

Обзор публикаций авторов показал, что, несмотря на существенные различия условий разработки месторождений, для обеспечения их геодинамической безопасности, как правило используется схожий комплекс прогнозно-профилактических мероприятий, регламентируемых

[113]. Вместе с тем, ввиду специфичности условий разработки месторождений, критерии уда-роопасности для каждого месторождения (группы месторождений) устанавливаются раздельно [113]. Авторы также обращают внимание на необходимость развития методов прогноза и контроля напряженно-деформированного состояния и удароопасности массива горных пород, а также расчетных методов для определения безопасных параметров конструктивных элементов систем разработки месторождений хрупких удароопасных руд в условиях высоких концентраций природного и техногенного полей напряжений, обусловленных ростом глубины горных работ, размеров выработанных пространств и тектонической нарушенности месторождений.

Особую актуальность эта проблема приобрела на шахтах СУБРа [113, 396, 401] разрабатывающих опасные по горным ударам Североуральские бокситовые месторождения КССР, относящейся к наиболее эффективным системам подземной разработки пологопадающих месторождений [4, 49, 53, 112, 131, 383, 397, 432] и достигающей 90 % в общей добыче руды на шахтах СУБРа. [269, 401].

При этом основной особенностью КССР является поддержание очистного пространства целиками, препятствующими обрушению покрывающей толщи. В горной практике встречаются, как правило, две основные схемы расположения целиков: с неограниченной периодической последовательностью междукамерных целиков и с периодической последовательностью междукамерных и барьерных (панельных) целиков. Безопасные условия труда и безаварийность работ при применении КССР обеспечивается устойчивостью обнажений кровли очистных камер и междукамерных целиков, зависящей от правильности определения их параметров (пролетов кровли камер, размеров целиков). Особенно большое значение параметры КССР приобретают при разработке месторождений полезных ископаемых с покидаемыми навсегда опорными междукамерными целиками (столбами). Это связано с тем, что при оставлении в выработанном пространстве междукамерных целиков с большими, чем необходимо размерами, появляются дополнительные потери полезного ископаемого. Но если размеры междукамерных целиков окажутся недостаточными для поддержания кровли покрывающих пород, то последствия в результате их разрушения приобретают аварийный или катастрофический характер с разрушением элементов горных конструкций и травмированием горнорабочих, что зачастую приводит к серьезным социально-экономическим проблемам.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Сидоров Дмитрий Владимирович, 2015 год

- -

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

А

Б

В

<->

Развитие КССР с учетом авторских рекомендаций

Г

-> <

Д

Е

ГПР, ГКР

<-!-!-!-

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800399 449 499 549 599 649 699 749 799 849

850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350899 949 999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.5 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ (все сложные условия)

Анализ случаев проявления горных ударов в сложных горно-геологических условиях показывает, что развитие КССР с учетом авторских рекомендаций позволило снизить проявление горных ударов более чем в 3,5 раза (рисунок 1.3.5).

Одним из факторов, приводящим к проявлению горных ударов, является неоднородное литологическое строение рудной залежи, как в разрезе, так и по площади оруденения. На рисунке 1.3.6 представлена типичная удароопасная ситуация (горный удар № 4 [137]) при разработке рудной залежи на участке неоднородного строения рудной залежи, представленной различными литологическими разностями бокситовых руд. Анализ случаев проявления горных ударов в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся наличием участков рудной залежи, представленных различными литологическими разновидностями бокситовых руд нормальной мощности, показывает, что развитие КССР с учетом авторских рекомендаций позволило снизить влияние данного фактора на проявление горных ударов более чем в 4 раза (рисунок 1.3.7).

К удароопасным относятся породы и руды, склонные к накоплению потенциальной энергии и хрупкому разрушению: порфириты, брекчии, туфобрекчии, туфопесчаники, подстилающие и покрывающие известняки, а также породы различного литологического состава. Удароопасными рудами являются следующие разновидности бокситов (рисунок 1.3.8): красный немаркий, яшмовидный, пестроцветный, обесцвеченный, а также переходные формы красного немаркого и маркого бокситов [126, 261, 269, 401].

а)

б)

Рисунок 1.3.6 - Проявление горных ударов на участках УНР

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

ГПР, ГКР <—j-j-j—>

оз

а

3

а

л

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.7 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УНР + НМЗ

а

л

2Н

о

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Н,Я Н,П Н,Я,П

Разновидность бокситовых руд

Н,Я,М

Н,Я,П,М

Рисунок 1.3.8 - Частота проявления горных ударов в зависимости от типа бокситовых руд (Н - красный немаркий, Я - яшмовидный, П - пестроцветный, М - красный маркий)

Н

Я

Одним из сопутствующих факторов, приводящих к формированию неоднородного поля напряжений и различным условиям нагружения краевой части массива горных пород и, как следствие, к проявлению горного давления в динамической форме, является невыдержанная мощность рудной залежи. На рисунке 1.3.9 представлена удароопасная ситуация при разработке рудной залежи на участке резкого изменения гипсометрии (горный удар № 80 [137]). Анализ случаев проявления горных ударов в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся наличием участков рудной залежи с резким уменьшением ее мощности, показывает, что из 36 зафиксированных горных ударов 10 произошли при однородном строении залежи (рисунок 1.3.10), а наибольшее количество ударов (26) произошло на участках, дополнительно осложненных неоднородным литологическим строением рудной залежи (рисунок 1.3.11).

Наиболее опасными по проявлению горных ударов являются безрудные зоны, участки резкого изменения мощности рудной залежи, участки уменьшения мощности рудной залежи до 4,0 м (рисунок 1.3.12), зоны влияния тектонических нарушений, контакты смены литологиче-ских разностей руд и пород [208, 262, 269].

50

т 45

э 40

со а

ора 35

д

у а 30

л

£ 25

2

8 20

ё 15

§

5 10

5

0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0

Мощность рудной залежи, м

Рисунок 1.3.12 - Частота проявления горных ударов при различной мощности рудной залежи

Существенное влияние на проявление горных ударов оказывает тектоническая нарушен-ность рудной залежи, характеризующаяся широким диапазоном параметров тектонических нарушений (свойства пород шва, амплитуда разрыва, угол падения плоскости сместителя и др.) и приводящая к формированию обособленных участков рудной залежи с концентраторами повышенного напряженного и удароопасного состояния. На рисунках 1.3.13-1.3.24 представлены типичные удароопасные ситуации и интенсивность проявления горных ударов на участках рудной залежи, осложненных мелко-амплитудным (горный удар № 56 [137]) и крупноамплитудными тектоническими нарушениями (горный удар № 38 [137]).

Рисунок 1.3.9 - Проявление горных ударов на участках УМЗ

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

Р1

ГПР, ГКР Ч-|-|-|->

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.10 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УОР + УМЗ

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

ГПР, ГКР ч—1-1-1—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.13 - Проявление горных ударов на участках, осложненных МАТН

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

*

Г

Д Е

ГПР, ГКР <—j-j-j—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.14 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УОР + НМЗ + МАТН

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

■w PI

г

ГПР, ГКР <—j-j-j—►

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

J

Рисунок 1.3.16 - Проявление горных ударов на участках влияния МАТН, осложненных УМЗ

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

ГПР, ГКР <—j-j-j—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.17 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УОР + УМЗ + МАТН

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР - с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

г-1

ГПР, ГКР <—j-j-j—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.19 - Проявление горных ударов на участках, осложненных КАТН

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР - с учетом авторских рекомендаций _

Г Д Е

H

ГПР, ГКР <—j-j-j—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.20 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УОР + НМЗ + КАТН

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

А Б В Развитие КССР - с учетом авторских рекомендаций _

Г Д Е

H

р

ГПР, ГКР <—i-i-i—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.22 - Проявление горных ударов на участках влияния КАТН, осложненных УМЗ

10

9

со 8

а s 7

s а 6

л

^ 5

О 4

i 3

g 2

§

1

0

А Б В Развитие КССР - с учетом авторских рекомендаций _

Г Д Е

Г-1

ГПР, ГКР <—--—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Рисунок 1.3.23 - Частота проявления горных ударов в сложных ГГУ: УОР + УМЗ + КАТН

10

9

со 8

а s 7

s а 6

л

^ 5

О 4

i 3

g 2

§

1

0

А Б В Развитие КССР - с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

г-1

ГПР, ГКР <—j-j-j—►

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м

Анализ случаев проявления горных ударов на участках, осложненных тектоническими нарушениями, показывает, что рост глубины разработки приводит к значительному увеличению количества горных ударов на участках КАТН (28 горных ударов) по сравнению с участками МАТН (14 горных ударов). Это объясняется формированием условий нагружения сместите-лей КАТН, достаточных для возникновения значительных площадей подвижек горных пород по развитым плоскостям сместителей КАТН (явления сдвигового типа), способствующих высвобождению большого количества запасенной упругой сейсмической энергии (рисунок 1.3.25). Снижение количества горных ударов на участках МАТН с ростом глубины горных работ, главным образом, связано с более спокойным разрушением неразвитых плоскостей сместителей МАТН в зоне предельно-напряженного состояния краевой части рудной залежи в результате перераспределения опорного давления от очистных работ.

£

50 45 40

35

30 25 20

15

10

5

0

А

ГДЕ Индекс сейсмической энергии

Ж

Б

В

З

И

□ МАТН □ КАТН

Рисунок 1.3.25 - Статистика проявления горных ударов различной сейсмической энергии

от влияния МАТН и КАТН (энергетический класс сейсмоявлений: А <102 Дж, Б = 102-103 Дж, В = 103-104 Дж, Г = 104-105 Дж, Д = 105-106 Дж, Е = 106-107 Дж,

Ж = 107-108 Дж, З = 108-109 Дж, И = 109-1010 Дж)

Полученные результаты оценки проявления горных ударов на участках МАТН и КАТН на больших глубинах позволяют уточнить выводы ученых ВНИМИ и специалистов СУБРа, приведенные в [200, 294], в которых отмечается, что абсолютное большинство динамических проявлений происходит у мелкоамплитудных тектонических нарушений, имеющих амплитуду смещения до 5 м (рисунок 1.3.26).

50

100

£ 40 т

а л

9

30

20

10

Ч; о4

С0~ &

80

§ 60

л £

1 З2

40

20

20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90

Угол падения сместителя тектонического нарушения, град.

0-5 5-10 10-20 20-30 30-50 50-100 >100

Амплитуда смешрния крыльев тектонического нарушения, м

Рисунок 1.3.26 - Частота проявления горных ударов у тектонических нарушений различных углов падения (а) и амплитуды (б)

б

а

0

0

Обобщенные данные статистики проявления горных ударов в различные периоды разработки месторождений СУБРа приведены в таблице 1.3.2.

Таблица 1.3.2 - Оценка эффективности внедрения авторских рекомендаций при различных горно-геологических условиях в различные периоды разработки месторождений СУБРа

Разновидность горно-геологических условий Количество горных ударов, расследованных при применении КССР, шт. Эффективность рекомендаций, %

До комплексной модернизации геомеханического обеспечения на этапе... После внедрения авторских рекомендаций на этапе.

А Б В Г Д 2 2

Простые горно-геологические условия (Простые ГГУ)

Простые ГГУ: УОР + НМЗ 4 0 2 6 1 2 3 +50,0

Сложные горно-геологические условия (Сложные ГГУ)

Сложные ГГУ: УНР + НМЗ 9 3 1 13 2 1 3 +76,9

Сложные ГГУ: УОР + УМЗ 6 1 0 7 0 3 3 +57,1

Сложные ГГУ: УНР + УМЗ 12 2 7 21 4 1 5 +76,2

Продолжение таблицы 1.3.2

Разновидность горно-геологических условий Количество горных ударов, расследованных при применении КССР, шт. Эффективность рекомендаций, %

До комплексной модернизации геомеханического обеспечения на этапе. После внедрения авторских рекомендаций на этапе.

А Б В Г Д 2 2

Сложные ГГУ с дополнительным влиянием МАТН

Сложные ГГУ: УОР + НМЗ + МАТН 15 2 6 23 0 1 1 +95,7

Сложные ГГУ: УНР + НМЗ + МАТН 16 5 2 23 8 2 10 +56,5

Сложные ГГУ: УОР + УМЗ + МАТН 7 1 0 8 0 0 0 +100,0

Сложные ГГУ: УНР + УМЗ + МАТН 11 2 5 18 2 1 3 +83,3

Сложные ГГУ с дополнительным влиянием КАТН

Сложные ГГУ: УОР + НМЗ + КАТН 2 3 6 11 4 6 10 +9,1

Сложные ГГУ: УНР + НМЗ + КАТН 10 2 5 17 10 5 15 +11,8

Сложные ГГУ: УОР + УМЗ + КАТН 2 1 2 5 1 3 4 +20,0

Сложные ГГУ: УНР + УМЗ + КАТН 2 1 1 4 2 1 3 +25,0

Примечание: знак «+» означает положительный эффект, знак «-» отрицательный эффект.

Таким образом, анализ причин разрушения выработок и элементов горных конструкций от влияния природных факторов (таблица 1.3.2) позволяет обобщить исследованные горногеологические факторы формирования удароопасности в следующие основные группы угроз, которые необходимо учитывать при определении параметров КССР: 1) совокупное влияние неоднородного литологического строения (УНР) и изменения мощности (УМЗ) рудной залежи на тектонически спокойных участках шахтного поля; 2) совокупное влияние неоднородного лито-логического строения, изменения мощности (УМЗ) рудной залежи и параметров тектонических нарушений (МАТН и КАТН) на участках влияния тектонических нарушений.

Анализ причин разрушения выработок и элементов горных конструкций от влияния техногенных факторов (бурение шпуров, заряжание шпуров, взрывные работы, уборка руды, крепление выработок, скважинная разгрузка и др.), показывает (рисунок 1.3.27), что наибольшее количество горных ударов произошло в результате взрывных работ, которые связаны с дополнительным динамическим воздействием на краевую часть рудной залежи, достаточным для перехода горных пород из предельно-напряженного состояния в запредельное (рисунки 1.3.28 -1.3.34.

140

120

I 100

с?

>

X 80

п

нр

рог 60

о

1 40

ечи

л

¡У 20

0

БУР

ЗАР

ВР УБР КРП

Технологическая причина

РЗГ

ВЬК

Рисунок 1.3.27 - Частота проявления горных ударов в горных выработках при различных технологических процессах: БУР - бурение шпуров, ЗАР - заряжание шпуров, ВР - взрывные работы, УБР - уборка руды, КРП - крепление выработок, РЗГ - скважинная разгрузка, ВЫХ - выходные

Проявление горных ударов в результате бурения взрывных шпуров, как правило, связано либо с наличием прочных разновидностей бокситовых руд с максимальными напряжениями, действующими на кромке краевой части рудной залежи и разгружающихся при незначительном механическом воздействии бурового инструмента, или с недостаточностью времени для релаксации напряжений между циклами взрывных работ и бурения взрывных шпуров. Проявление горных ударов в результате уборки руды или в выходные дни, как правило, связано с перераспределением нагрузок после взрывных работ на участки с более прочными разновидностями бокситовых руд и сложным характером их разрушения во времени.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

т

а

3

х

ы

А Б В Развитие КССР _ с учетом авторских рекомендаций _

Г

Д Е

ГПР, ГКР ч—1-1-1—>

340- 400- 450- 500- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050- 1100-1150-1200-1250- 1300-1350399449499 549 599649699 749 799 849899949999 1049 1099 1149 1199 1249 1299 1349 1399

Глубина горных работ, м Рисунок 1.3.28 - Частота проявления горных ударов при бурении шпуров

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

оз

а

3

а

л