Обоснование геомеханических параметров безопасной отработки рудных удароопасных месторождений (27.07.2009)

Автор: Синкевич Николай Иванович

0.87 0.34

Как видно из данных таблицы 4, все породы и полезное ископаемое, которые находятся в створах будущих стволов «Шория-1», «Ново-Клетевой» и геологоразведочных скважин № 607, 614, 618, 704 и 705, можно отнести к категории «удароопасные», поскольку у руды и всех типов пород коэффициенты удароопасности с глубиной выемки месторождения сплошным фронтом увеличиваются по мере развития по простиранию очистных работ в этаже (К1>0.7, К2<1.0 и Кпл ?1,0). Коэффициентом удароопасности называется величина, показывающая, какая часть затрачиваемой энергии расходуется на разрушение горной породы.

Индивидуальное влияние указанных коэффициентов удароопасности К1 в допредельной зоне разрушения в зависимости от пластичности Кпл горных пород и приведенных факторов с началом развития очистных работ в этаже изменяется и перемещается на массив вновь вводимого в эксплуатацию нижележащего этажа и описывается линейной функцией (рисунок 6).

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Коэффициент пластичности Кпл

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента удароопасности К1 от пластичности Кпл пород

В точках, где эти коэффициенты равны 1,0 и близки к предельному значению, равному 1,0, тоже могут возникнуть горные удары, но различной интенсивности, что позволило установить корреляционную связь между предельными коэффициентами удароопасности в допредельной зоне разрушения К1 и пластичности Кпл, при коэффициенте корреляции r = 0,976:

К1 = - 0,7654 Кпл +1,7575. (2)

Проявления горных ударов на Таштагольском железорудном месторождении при сплошной выемке происходят за счет изменения структуры руд и пород. Коэффициенты удароопасности определяются по соотношению минимальных и максимальных прогнозных значений коэффициента удароопасности: увеличивается до 0,85 на динамически опасных участках и уменьшается до 0,70 на неопасных (рисунок 7).

Так, на глубинах 290 м залегают порфириты, 430 м – туфы трахитового порфира, в этих точках коэффициенты удароопасности и пластичности имеют предельное значение, равное 1,0, с периодичностью в 140 м.

Рисунок 7 – Зависимость коэффициентов удароопасности К1 и пластичности Кпл о глубины Н залегания горных пород

На основе практических результатов многолетнего опыта отработки участков «Восточный» и «Северо-Западный» и анализа экспериментальных наблюдений за изменением напряженно-деформированного состояния массива в сложных природных условиях, с участием автора работы был разработан способ отработки рудных месторождений полезных ископаемых с адаптацией параметров площади обнажения пород и увеличения горизонтальных напряжений вкрест простирания залежи.

Способ отработки рудных месторождений, включающий проведение подготовительных, нарезных работ, обуривание блоков, отбойку и выпуск руды через выпускные выработки, в котором нарезные работы на нижележащем горизонте проводятся вне зоны опорного давления с отставанием по отношению к очистным работам на вышележащем горизонте. А очистные работы в очередном блоке отрабатываемого горизонта с отставанием от его подготовительно-нарезных работ, отличающихся тем, что нарезные и подготовительные работы на нижележащем горизонте проводятся с отставанием от

очистных работ на вышележащем горизонте на величину, определяемую из выражения

а = Н ? tg ? / L , (3)

где а – очистные работы на горизонте отстают от подготовительно-нарезных на этом горизонте, м;

Н – глубина разработки, м;

? – угол залегания рудных тел, град;

L – расстояние от контакта рудного тела до фронта очистных работ, м.

При этом очистные работы в очередном блоке отрабатываемого

горизонта проводятся с отставанием от его подготовительных и нарезных работ на 3-4 блока (патент на изобретение № 2193659).

ЧЕТВЕРТОЕ НАУЧНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ:

в геодинамически опасном регионе техногенные напряжения сжатия в пределах (-32,4) – (-113,4) МПа и относительные деформации растяжения 0,0002 – 0,0008 в рудных и породных массивах описываются закономерностями распределения: коэффициентов хрупкости, пластичности, удароопасности при разной площади отработанных блоков и абсолютной величины переменных (пульсирующих) тектонических напряжений ?тп=-12,6 – -15,4 МПа в этажах при отступающей выемке руды.

+185 м, методом щелевой разгрузки и наблюдения за сдвижением горных пород по станциям глубинных реперов. Отличительной особенностью проводимых исследований является изучение состояния больших участков рудного массива, достигающих 150-350 м по направлениям вкрест и по простиранию Шерегешевского железорудного месторождения. Наблюдения приурочивались к опробованию и внедрению в конкретных условиях рудника надежных методов прогноза и способов предотвращения горных ударов в целиках при подготовке очистных блоков с увеличением глубины разработки рудной залежи.

Для оценки напряженно-деформированного состояния массива пород использовался метод щелевой разгрузки, разработанный в ИГД УрО РАН. Бурение разгрузочных щелей осуществлялось с помощью специального шаблона перфоратором ПР-24, при этом радиус щели составлял 0,3 м, база измерения 200 мм, деформация щели измерялась индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Эксперименты проводились по оценке вертикальной составляющей (щель располагается горизонтально на борту выработки) и горизонтальных составляющих (щель вертикальная).

Результаты инструментальных опытов подтверждают, что относительные перемещения блоков различных масштабных уровней зависят от их напряженного состояния и исчисляются обычно в абсолютных величинах. Длительность геомеханических процессов (в течение 4770 суток), происходящих на нижележащих горизонтах опорного блока-целика, значительность периодических силовых воздействий ((2=-90,5(-113,4 МПа) и вызываемых

ими деформаций ((=0,088(0,103) приводят к тому, что массив находится в состоянии непрерывного колебательного движения. Колебания обусловлены влиянием целого ряда естественных периодических процессов, которые изменяются с периодичностью 11 лет и совпадают с циклом солнечной активности (рисунок 8).

Рисунок 8 – Геодинамические проявления в опорном блоке-целике на участке «Главный» с годами изменения солнечной активности

? – полученные экспериментально напряжения;

? – корреляционная зависимость;

? ? ? ? прогнозируемые напряжения

Рисунок 9 – Зависимости приращения горизонтальных техногенных напряжений от глубины

Из рисунка 8 видно, что в годы спада СА фоновые тектонические напряжения растут (рисунок 9), число геодинамических явлений со средней энергетикой увеличивается на отрабатываемом участке. А в годы минимума СА Земля максимально сжата: горизонтальные напряжения имеют максимальные значения по простиранию рудных тел ((1=-25,2(-90,1 МПа), вкрест простирания ((2=-45,3(-94,8 МПа).

Наблюдаемые геодинамические явления – стреляния горных пород имеют максимальную энергетику в магнетитовых рудах и породах: сиенитах, скарнах, рудных скарнах, пироксенового и гранатпироксенового составов. В этой системе могут возникнуть и те явления упругого удара – толчки, происходящие во время или после массового и технологического взрывов. Например, 20.11.1991 г. был произведен взрыв скважинных зарядов на подсечке блока № 35 на гор. +325 м. Взрыв заряда спровоцировал толчок, ощутимый в обоих поселках Шерегеша.

Толчок произошел одновременно со взрывом заряда 11 тонн ВВ. 02.12. 1991 г. в блоке № 33 на гор. +395 м произошло внезапное обрушение кровли и бортов нарезных и откаточных выработок на участке «Главный», где велись взрывные работы по вторичному дроблению руды в блоке 8а, участок «Болотный». 23.05.1993 г. в юго-западной части бурового горизонта +389 м, блоке № 33, произошло динамическое проявление горного давления в форме толчка. До этого времени проводились технологические взрывы на блоке № 34 - подсечка 17.05.1993 г. (5 тонн ВВ); по образованию компенсационной камеры 19.05.1993 г. (8 тонн ВВ); 14.11.1993 г. при производстве массового взрыва (322 тонны ВВ) в блоке № 34 (этаж +396-+325 м) Таштагольской сейсмостанцией было отмечено шесть толчков, включая первый как взрыв заряда в 12 ч.15 мин. 13 с. - взрыв – 9,2 класс; 20 с. - толчок – 8,0 класс; 26 с. - толчок – 7,4 класс; 30 с. толчок – 7,5 класс; 36 с. - толчок – 6,8 класс; 58 с. - толчок – 6,6 класс. 16.01.1994 г. при производстве массового взрыва (143,5 тонны ВВ) в блоках 25/26 (этаж +325-+255 м) Таштагольской сейсмостанцией был отмечен толчок класса 7,9, сам взрыв класса 8,5.

Толчок произошел через 5 секунд после взрыва. 13.09.1996 г. в буровом орте № 2 блока № 29 (гор. +395 м) и 18.04.1997 г. в компенсационной камере № 2 блока № 32 (гор. +395 м) наблюдались стреляния горных пород и магнетитовых руд, скарнов пироксенового состава, сиенитов в забое после отпалки.

Такой мгновенно возникший перепад напряжений, как напряжения в магнетитовой руде, скарнах (?сж =52.3 МПа), гранитах (?сж =44.4 МПа) и отсутствие нагрузки на свободной поверхности нарушения, может явиться причиной интенсивного разрушения с помощью приходящих тектонических пульсирующих напряжений в земной коре в течение всего цикла СА.

Если при этом в горной породе нет никаких внутренних условий для пластических деформаций, могущих поглотить часть потенциальной энергии, то мгновенное нарушение равновесия неизбежно приведет к интенсивному разрушению по предельным коэффициентам хрупкости степени удароопасности для руды магнетитовой (К1=0,92, К2=0,07) и пластичности (Кпл=1,10); скарнов эпидот-пироксенового состава, (К1=0,92, К2=0,12 и Кпл=1,09); гранитов (К1=1,0, К2=0,07 и Кпл=1,0).

Полученные в результате натурных замеров главные нормальные компоненты тектонического поля напряжений использовались в качестве критериев при отработке этого рудного блока-целика на участке «Главный», опасного по геодинамическим явлениям при действующих тектонических пульсирующих напряжениях (?тп=-12,6 – -15,4 МПа).

По результатам исследования автором установлены зависимости и получены корреляционные связи между изменением напряженно-деформированного состояния массива на различных глубинах и стадиях выемки опорного блока-целика (от подготовки, нарезки буровых и подсечных выработок до очистного пространства, равного мощности рудного тела) одновременно на четырёх горизонтах по простиранию:


загрузка...