Удароопасность массива на больших глубинах

Наиболее опасными при подземной разработке месторождений, являются горные удары, количество которых с глубиной возрастает, а освобождение породы от напряжения сопровождается мгновенным переходом аккумулированной потенциальной энергии в работу за пределами прочности породы с сильным грохотом, воздушным ударом и сейсмическим эффектом. Нередко горные удары приводят рудники в аварийное состояние. Естественные факторы, облегчающие высвобождение упругой энергии и возникновение горных ударов различной силы, – тектонические нарушения в массивах пород (разломы, зоны смятия, трещины, сбросы и т.д.). Подсчитано, что при горных ударах высвобождается энергия порядка 9,8•10⁵–9,8•10⁸ Дж, а при очень сильных землетрясениях – порядка от 9,8•10¹⁵–9,8•10¹⁷ Дж. В крепких породах на глубинах свыше 1,5 км от поверхности упругая энергия от давленая толщи вышележащих пород составляет 19,6•10³ Дж/м. Этой энергии достаточно, для того чтобы подбросить 1 м³ породы на высоту 8–9 м.

Криворожский железорудный бассейн является крупнейшим производителем товарной железной руды в Украине. Добыча железных руд подземным способом производится в регионе почти 130 лет. В настоящее время шахты Кривбасса ведут очистные работы на глубинах 1100–1300 м, а горно-капитальные на 1400–1600 м от уровня земной поверхности. Возникновение на глубоких горизонтах шахт различных геодинамических явлений способствовало генерации диаметрально противоположных мнений у исследователей и последующей разработки различных подходов к оценке удароопасности массива горных пород. Так, например, исследователи из государственного предприятия «Научно-исследовательский горнорудный институт» (г. Кривой Рог) считают, что с глубин 1000 м действующие в нетронутом массиве напряжения превысят длительную прочность минерального вещества и при производстве горных работ вызовут стреляние пород и горные удары.

Исследователи Криворожского технического университета придерживаются противоположного мнения и утверждают, что горнотехнические условия разработки железных руд Кривбасса на глубинах до 1800–2000 м будут благоприятными. В обоих случаях речь идет о состоянии нетронутого массива горных пород, нарушенного несколькими выработками. По оценке их состояния сделаны подтверждения теоретических расчетов о напряженности пород. Это, как правило, горно-капитальные выработки, находящиеся на расстоянии более 1000 м от выработанного пространства (далее ВП) шахты и от области интенсивного ведения подготовительных и очистных работ. Как показали результаты исследований, проведенных в Национальном горном университете, ВП шахты способствует перераспределению первоначальных напряжений нетронутого массива.

При исследовании глубины распространения ВП установлено, что ее возрастание приводит к увеличению размеров и формы областей концентрации напряжений. Выявлена экспоненциальная зависимость увеличения напряженности массива в основных областях концентрации при изменении глубины распространения ВП. Анализ напряженности показал, что в массиве вокруг «слепых» ВП уровень значений в 2–3 раза выше для пород лежачего бока и 3–25 раз ниже для пород, расположенных на границе висячего и лежачего боков. Также установлено, что влияние ВП на массив руд в 1,2–1,7 раз больше, чем на массив пород. Основным влияющим фактором выявлена объемная масса руды, которая превышает объемную массу породы. Помимо этого установлено, что изменение глубины распространения ВП оказывает только количественное изменение уровня напряженности массива без изменения характера распределения полей напряжений в зоне разгрузки.

В результате проведенных исследований установлено, что в зонах разгрузки напряжений ВП, выходящих на земную поверхность, образуются области опорного давления, в которых напряжения превышают как γН, так и предельно-допустимые. Они действуют в области сжимающих напряжений, и располагается на границе висячего и лежачего боков ВП. При возрастании глубины распространения ВП до 1500 м области опорного давления проникают в рудо-породный массив до 1200 м под углом 75° к горизонту. Значения максимальных напряжений достигают 13,2 МПа, что соответствует около 1,6 γН.

Проявление повышенной напряженности массива в горных выработках происходит в областях массива, где реальные напряжения, возникающие в массиве зоны разгрузки ВП, превышают предельно допустимые на растяжение или сдвиг. Эти области и характеризуются неустойчивым равновесным состоянием. Разницу между действующими и предельными напряжениями отражает коэффициент запаса прочности. Для оценки процессов деформирования, протекающих в массиве горных пород, определяли предел прочности на растяжение и сдвиг. Затем устанавливали значения коэффициента запаса прочности в массиве зоны разгрузки, окружающей ВП шахты. Исследование областей распределения предельно-допустимых напряжений при поэтапном увеличении ВП позволило установить линейную зависимость изменения от их размеров.

Месторождение северной группы шахт Криворожского бассейна характеризуется наличием большого числа разобщенных рудных тел. Так в условиях шахт северной группы в число параллельных и последовательных сближенных залежей входит до 6–7 рудных тел. Общее количество рудных тел в пределах этажа достигает 40. Аналитическое моделирование областей неустойчивого равновесия для усредненных геотехнологических условий шахт показало, что области неустойчивого равновесия проникают в массив подготавливаемой части шахтного поля на 200 м с шириной, сопоставимой с мощностью залежи. Располагаясь в сложном порядке, области неустойчивого равновесия оказывают негативное влияние на подготавливаемые и отрабатываемые блоки нижележащих этажей. Это приводит к тому, что до 100% откаточных штреков и ортов нижележащих горизонтов крепят арочной крепью, а показатели засорения добываемой руды неумолимо возрастают.

Полученные результаты исследований применительно к конкретным горно-геологическим и горнотехническим условиям отработки рудных тел позволяют определять место и размеры областей, опасных по горным ударам и другим динамическим проявлениям повышенного горного давления. Изучение свойств горных пород в условиях повышенного давления позволяет определить формы проявления массива при разгрузке, а наложение областей неустойчивого равновесия на область проведения подготовительных, очистных и горно-капитальных работ позволит определить место и время применения предохранительных мероприятий, повышающих технику безопасности, качество добываемой руды и ресурсосбережение горных работ

КАК  ЖЕ  БОРОТСЯ  С  ТАКИМИ  ПРОБЛЕМАМИ?