Закономерности изменения напряжений в аномальном поле при очистной выемке

© Н.И. Синкевич, 2003

УДК 622.83 Н.И. Синкевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В АНОМАЛЬНОМ ПОЛЕ ПРИ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКЕ

Анализ известных факторов по ряду железорудных районов и провинций показывает, что рудные поля появляются на тех площадях рудоносных провинций, в пределах которых имеет место изменение простирания и падения тектонических элементов регионального значения.

Формирование тектонических элементов, прослеживаемых в пределах рудного поля Таштагольского месторождения и оказывающих влияние на локализацию оруденения, позволяет выделить пять условно названных тектонических нарушений и пологопадающую зону с гор -210 м до гор -350 м, к району пересечения с которой приурочено большинство горных ударов. Это: диагональный разлом, пересекающий в направлении север-юг восточный участок месторождения по диагонали; оперяющая диагональный разлом зона на северном фланге отрабатываемого участка с гор +70 м до гор -280 м; второе диагональное нарушение, расположенное восточнее 150 м от диагонального разлома и ему параллельное с гор +0 м до -280 м; зона тектонического нарушения, пересекающего ствол шахты «Западная»; зона нагорного разлома на юго-восточном фланге Восточного участка с гор ±0 м до -140 м.

Практика отработки мощных удароопасных рудных месторождений, и в первую очередь Таштагольского, позволяет обобщить имеющийся опыт и сформировать основные требования к подготовке глубоких горизонтов, обеспечивающих безопасность и эффективность горных работ.

В связи с этим, на всех стадиях (вскрытие, подготовка, образование отрезной щели, ведение очистных работ в этаже) горных работ по подготовке горизонта к очистной выемке были ранее проведены исследования по измерению напряжения в прилегающем массиве горных пород. Определение абсолютных напряжений по методу полной разгрузки керна с определением деформаций на стенках центральной скважины с применением унифицированного комплекса приборов УК-«Тензор», разработанного в ИГД СО РАН, проводились на гор. - 210 м, -280 м и - 350 м.

Исследованиями, выполненными в 70-х годах, было определено напряженное состояние в

зоне влияния очистных работ на уровне как бурового, так и откаточного горизонтов +140 м, +70 м, +0 м, -140 м, различными авторами (см. табл. 1) [1, 2, 3].

Результаты исследований напряженного состояния Таштагольского железорудного месторождения, выполненные автором, были обработаны на ЭВМ и получены полные тензоры главных нормальных напряжений, которые приведены в табл. 2.

Испытанием кернов, полученных в ходе экспериментов в шахте, в нагрузочном устройстве были определены упругие характеристики пород и руд, подсеченных скважиной (табл. 3).

Анализ результатов измерений показал, что в зоне влияния очистных работ максимальные напряжения, ориентируемые по азимуту в среднем А = 52 градуса в северо-восточном направлении, действует вкрест простирания рудных тел и имеют соотношения:

на гор. -210 м = 3,8 : 1,9 : 1,0

на гор. -280 м ст!:ст2:ст3 = 3,4 : 1,3 : 1,0

на гор. -350 м ст!:ст2:ст3 = 3,5 : 1,6 : 1,0

Таким образом, на основании обобщения экспериментальных данных установлено, что наибольшая концентрация напряжений наблюдается на гор. -350м у границ блоков в непосредственной близости диагонального разлома и двух пологопадающих зон в этажах -210 + -280 м, -280 + -350 м при коэффициенте концентрации Кк = 3,1, а на гор. -280 м коэффициент концентрации Кк = 2,6 уменьшается, но незна-

Таблица 1

РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТАШТАГОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ВЫ1ПОЛНЕННЫ1Х РАЗЛИЧНЫМИ АВТОРАМИ

Автор, источник Глубина Н, м Вычисленные параметры

Сть МПа

А.Т. Шаманская 410 -17,8 -13,0 -11,1

П.В. Егоров -13,4 -8,7 -10,8

[1] -16,9 -12,2 -11,6

-18,4 -14,7 -11,0

-17,6 -12,8 -10,9

550 -33,3 -15,0 -14,0

-26,1 -12,8 -12,6

-32,8 -14,1 -13,5

-39,4 -19,3 -14,4

-34,7 -16,1 -13,9

М.В. Гзовский 410 -22,0 -18,0 -12,0

И.А. Турчанинов -20,1 -16,6 -11,2

Г.А. Марков -1,85 -14,8 -13,3

С.А. Батугин -24,1 -18,8 -11,8

[3] -22,8 -18,5 -11,9

550 -38,0 -19,0 -15,0

-35,1 -17,3 -14,1

-37,6 -16,8 -16,0

-40,9 -21,1 -15,6

-39,1 -20,4 -14,4

П.В. Егоров [2] 650 -62,5 -60,1 -66,6 -63,5 -58,7 -40,6 -38,6 -44,1 -41,8 -37,0 -17,6 -17,2 -18,4 -18,0 -16,6

чительно потому, что на северном фланге месторождения проходят две пологопадающие зоны и третья - оперяющая диагональный разлом.

Характерной особенностью гор. -210 м (экспериментальная камера) является то, что по мере удаления от центра к флангам тектонически активных нарушений (оперяющий диагональный разлом зоны и пологопадающий) величины напряжений снижаются (при коэффициенте концентрации Кк = 1,6). Данный район характеризуется как динамически не активный, с предполагаемым переходом в активный по мере приближения фронта очистных работ.

Местоположение экспериментальной камеры в блоке №4, этаже -210^140 м определялось идентичностью горногеологических условий данного района охранного целика под реку Кондома, а также пониженным влиянием очистных работ на камеру за счет нахождения ее на значительном расстоянии от очистных блоков.

Исследовательские и контрольно-измери-тельные работы, выполняемые с января 1992 года, в районе гор. -280 м, орт № 5 показали общее стабильное состояние напряженно-деформиро-ванного массива в прилегающих участках и самой камере. Не оказало значительного влияния на состояние массива в районе блоков 3 и 4 (этаж -210^ -140 м) проведение технологических, а затем и массовых взрывов по блокам 26-27 (этаж -210 ^ -140 м) - 09.02.1992 г.; блок 16 (этаж -280

Интенсивность изменения напряжения по глубине Аст/АН, Мпа/м

^ 210 м) - 04.06.1992 г.; блок 10 (этаж -210 ^ -140 м) -

30.08.1992 г. Но начиная с 1993 г. динамическая активность северного фланга месторождения значительно возросла.

В результате интенсивного ведения горных работ по развитию фронта очистных работ на северном фланге и очень сложной горно-геологической ситуации в районе экспериментальной камеры, которые не позволили своевременно произвести подготовительные работы по образованию камеры, район перешел в динамически активный с большим количеством серьезных динамических явлений и созданием удароопасных ситуаций.

Взрыв по образованию плоской подсечки камеры № 4 (24.01.1993 г.) спровоцировал 2 толчка и вызвал перегрузку массива в районе ортов 3 и 4 на гор. -210 м. Подготовка и массовый взрыв блока 4 (этаж -70 -г- ±0 м) -

21.03.1993 г., дополнительно пригрузили наблюдаемый район, особенно на гор. -140 м. Массовый взрыв блока 25 (этаж -210 ^ -140 м) на южном фланге аномального шахтного поля 24.04.1993 г. позволили несколько выровнять зоны пригрузки, возникшие на северном фланге.

В районе экспериментальной камеры на гор.-210 м, орт 4 методом полной разгрузки в июне-июле 1993 г. проведены эксперименты по оценке напряженности массива. Установлено, что в массиве действуют отрицательные аномалии (сжимающие горизонтальные напряжения) и их значения на глубине 760 м составляют (табл. 2). Расчетная величина вертикальной составляющей (а3 = -20,3 МПа), что в два раза больше измеренной. Это объясняется в значительной мере тем, что напряжения в вертикальной плоскости были сняты произведенной плоской подсечкой в камере.

Технологические и массовые взрывы блоков: -19 (этаж -280 ^ -210 м) - 22.08.1993 г.; -15 (этаж -280 ^ -210 м) - 03.04.1994 г., вызвали значительные пригрузки на северном фланге. Подготовка и массовый взрыв блока 9 (этаж -210 ^ -140 м) - 31.07.1994 г. спровоцировали 2 микроудара и значительно ухудшили состояние всего северного фланга месторождения, в том числе и район камеры № 4.

В результате всех этих работ (массовые и технологические взрывы по блоку 9 (этаж -210 ^ -140 м), блоку 6-9 (этаж -140 ^ -70 м) и взрывы по отрезке самой камеры) -произошло самообрушение части кровли камеры до формирования практически контура второго этапа работ (т.е. образование камеры эллипсовидной формы размером 30,0 х 13,5 9 х 35,0 х 44,0, где 44,0 - высота с учетом конуса камеры, м). Также значительные обрушения имеются в потолочине пятого бурового подэтажа с практическим погашением южной буровой панели и восточной рудной части орта 4 (гор. -140 м) на южной границе камеры.

При развитии фронта очистной выемки все большие объемы вмещающего массива претерпевают существенные деформации, что приводит к магистральному разрыву с сотрясением массива. Таким образом, геомеханические процессы, происходящие вокруг очистной выемки на Ташта-гольском руднике, отображаются в вариациях - чередовании пригруженных и разгруженных участков массива, объясняемых с позиции зональной дезинтеграции. Данное обстоятельство обусловлено фронтом очистных работ и положени-

Таблица 2

ДАННЫЕ О ГЛАВНЫХ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ С ГЛУБИНОЙ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ТАШТАГОЛЬСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Место измерения, горизонт, глубина Вычисляемые параметры

а1, Мпа (вкрест) а2, Мпа (по простиранию) а3, Мпа (вертикальное) А, град

Гор. -210м, орт 4 -39,0 -10,6 -7,5 в пределах

Н = 760м -37,7 -21,4 -10,3 52

-36,1 -20,4 -11,9

-35,6 -21,5 -13,6

-41,7 -11,3 -8,1

-30,0 -18,8 -11,3

Гор. -280м, орт 5 -88,9 -36,6 -19,0 в пределах

Н = 830м -76,4 -56,5 -20,3 37

-77,9 -37,8 -19,0

-90,6 -42,4 -20,5

-93,9 -56,0 -20,8

Гор. -350м, орт 20 -44,5 -33,3 -24,3 в пределах

Н = 900м -56,5 -37,4 -24,4 241

-113,0 -37,9 -22,8

-115,6 -39,5 -23,5

ем зоны опорного давления на зоны местных опорных кон-Таблица 3

УПРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОД В МЕСТАХ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Место измерения (горизонт, глубина) Тип горной породы Модуль упругости Е-104, МПа Коэффициент Пуассона ц

гор. -210м, орт 4 Н = 760м Магнетитовая руда 6,14 0,27

гор. -280м, орт 5 Н = 830м Магнетитовая руда 12,9 0,10

гор. -350м, орт 20 Н= 900м Скарн рудный 6,75 0,14

центраций напряжений, к таким и относятся активные зоны.

По проведенным шахтовым экспериментам и полученным результатам на гор.-350 м обосновано, что уровень напряженного состояния массива (ст = -157,2 МПа) вполне соответствует энергетической частоте толчка (Е = 7,9-103 Дж), произошедшего спустя 40 минут после окончания эксперимента на отметке -298 м (данные Таштагольской сейсмостанции). Чем сильнее пригружен массив, тем выше энергетическая частота динамических проявлений, например 18.07.1994 г. время по Гринвичу 22 часа 01 мин. 46 с. произошел толчок с энергией (Е = 4,5-104дж), а экспериментальный замер на 19.07.1994 г. составил (ст = -42,9 МПа). С течением времени (5 суток) при изменении напряженного состояния (с -42,9 МПа до 157,2 Мпа) массива энергетический класс динамических проявлений возрастает до максимума, а затем убывает до минимума. Чем больше продолжительность периода, тем больше величина энергии выделяется в зоне его максимума. В момент проявления максимума массив переходит на более высокий энергетический уро-

вень, и частота динамических проявлений дискретно возрастает (18.07.1994 г.- 1,010-3 МПа-м3, а на

22.07.1994 г.- 5,0-10'5 МПа-м3).

Наиболее значительны в энергетическом плане горные и горнотектонические удары, они происходят на п ересечении мощных тектонически и динамически активных зон при ведении очистных работ на южном фланге месторождения гор.-280 м встречными фронтами с образованием целика из блоков № 22, 23, 24 и 25, которые создают еще более сложные условия отработки вследствие высокой концентрации напряжений. Но после проведенного массового взрыва в этаже -280 + -210 м блока № 21, 29 марта 1998 года произошел горнотектонический удар, вследствие которого образовалась расширенная зона пригрузки на месторождении вдоль диагонального разлома и двух пологопадающих зон (гор.-210 -280 м, гор.-

280 + -350 м.). В районе этого блока на напряженность массива вмещающих пород повлиял диагональный разлом и пологопадающая зона, все напряжения концентрировались в пределах этой зоны и разлома, что и привело к мощному толчку, произошедшему 22.04.1998 г.

При горно-тектоническом ударе разрушения и нарушения выработок наблюдались на трех горизонтах аномального шахтного поля, как в зонах повышенной концентрации напряжений, так и в ослабленных зонах. Они захватывают значительную площадь и могут быть приурочены к одному разлому диагональному, в случае отсутствия пологопадающей зоны, либо к нескольким сразу- при ее наличии. При этом происходит смещение отдельных участков массива по плоскостям аномального ослабления, поднятие почвы в выработках со стороны висячего бока разлома.

Присутствие пологопадающих зон и диагонального разлома на железорудном месторождении усугубляет технологию разработки полезных ископаемых, как на северном, так и на южном флангах аномального рудного поля.

По результатам проводимых экспериментов в зоне влияния очистных работ, напряженное состояние массива Таш-тагольского месторождения имеет интенсивное изменение напряжений по глубине и описывается периодической кривой с постоянным периодом 260 м и постепенно затухающей амплитудой (смотри рисунок).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шаманская А.Т., Егоров П.В.

Соотношение тектонических элементов с

полями современных напряжений в Гор-

ной Шории // Напряженное состояние зем-

ной коры. - М., Наука, 1973. - с. 77-86.

2. Разработка научно-обоснованного метода прогноза удароопасности пород на рудниках Горной Шории: Отчет/ Сиб.фил. - ВНИМИ. Рук. Егоров П.В. -Прокопьевск, 1975. - с. 147.

3. Гзовский М.В., Турчанинов И.А., Марков Г.А., Батугин С.А. и др. Напряженное состояние земной коры по данным измерений в горных выработках и тектоно физического анализа // Напряженное состояние земной коры. - М., Наука, 1973. - с. 50-61

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------

Синкевич Николай Иванович— доцент, кандидат технических наук, Сибирский государственный индустриальный университет.