Исследование условий формирования зон трещинообразования в породном массиве при сооружении горных выработок с применением взрывных работ

I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА I. INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS

| Ю. А. Масаев // Yu.A. Masaev

канд. техн. наук, профессор ФГОУ ВО КузГТУ им. Т.Ф, Горбачева Почетный член Академии горных наук candidate of technical sciences, professor FGOU VO KuzGTU named after T.F. Gorbachev,

Honorary Member of the Academy of Mining Sciences

I В. Ю. Масаев// V.Yu. Masaev

канд. техн. наук, доцент Кемеровская государственная сельскохозяйственная академия, кафедра ландшафтной ар-хтектуры

candidate of technical sciences, associate professor

Kemerovo State Agricultural Academy, Department of Landscape Architecture

УДК 622.235.5

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ПОРОДНОМ МАССИВЕ ПРИ СООРУЖЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

STUDY OF THE CONDITIONS FOR FORMING ZONES CRACK FORMATION IN THE ROCK MASS AT CONSTRUCTION OF MINE WORKINGS WITH THE USE OF BLASTING

Разработка месторождений полезных ископаемых неразрывно связана с проведением комплекса подземных горных выработок, нарушающих естественное состояние массива горных пород. При проведении горных выработок взрывным способом окружающие горные породы претерпевают значительные изменения естественного состояния.

В статье приведены результаты исследований степени нарушенности и условий формирования зон трещинообразования в законтурном массиве горных пород в результате взрываний оконтуривающих шпуров в породах с различными коэффициентами крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова при различных схемах расположения оконтуривающих шпуров.

The development of mineral deposits is inextricably linked with the implementation of a complex of underground mining operations that violate the natural state of the rock mass. When mining explosively, the surrounding rocks undergo significant changes in their natural state.

The article presents the results of studies of the degree of disturbance and conditions for the formation of fracture zones in the contour array of rocks as a result of exploding boreholes in rocks with different strength coefficients on the scale of prof. M. M. Protodiakonov under various schemes of the location of boreholes. Ключевые слова: ЗАРЯД ВВ, ОКОНТУРИВАЮЩИЕ ШПУРЫ, ЗОНА ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ, ВОЛНА НАПРЯЖЕНИЯ, ЛИНИЯ НАИМЕНЬШЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ.

Key words: THE EXPLOSIVE CHARGE, AND DELINEATION DRILL HOLES , AREA OF CRACKING, THE STRESS WAVE, THE LINE OF LEAST RESISTANCE.

При добыче полезных ископаемых подземным способом необходимо проводить комплекс горных выработок различного назначения и направления. До момента проведения горных выработок горные породы находятся в определенном напряженном состоянии, и естественное поле напряжений нетронутого массива рассматривается как результат действия двух силовых полей: поля гравитационных сил и поля тектонических

сил. Каждые горные породы претерпели свои геологические условия преобразования и могут иметь естественные трещины, заколы, разрывы и другие нарушения, что оказывает влияние на формирование поля напряжения породного массива.

Проведение горных выработок приводит к нарушению естественного напряженного состояния породного массива вокруг контура горной выработки. Нарушение естественного равновес-

ного состояния формирует две новые области напряженного состояния: область пониженных напряжений в кровле и почве выработки (зона разгрузки) и область повышенных напряжений в боках выработки (зона опорного давления) и очень важно учитывать наличие этих зон при производстве взрыва зарядов ВВ в оконтурива-ющих шпурах, оказывающих существенное влияние на состояние законтурного массива горных пород.

При проведении горных выработок взрывным способом должны предъявляться два основных требования: обеспечение проектного контура горной выработки и минимальная нарушенность законтурного массива. Качество оконтуривания горной выработки принято оценивать по трем основным показателям: размерам неровностей стенок выработки после взрыва; коэффициенту излишка поперечного сечения (отношения фактического поперечного сечения выработки к проектному); степени нарушенности законтурного массива.

Нарушенность законтурного массива оказывает значительно влияние на безопасность эксплуатации пройденных горных выработок и величина зон нарушенности зависит от многих факторов.

Проведенные исследования показали, что в различных горных породах при различных условиях взрывания оконтуривающих шпуров формирование зон нарушенности и их размеры зависят от целого ряда условий. В первую очередь, величина зон разрушения зарядами оконтуривающих шпуров определяет величину

линейных отклонений фактического контура выработки от проектного и величина этих зон зависит от расстояния между оконтуривающими шпурами, линии наименьшего сопротивления (ЛНС) зарядов, весового количества ВВ, приходящегося на единицу длины шпура и угла наклона оконтуривающих шпуров.

Одним из важных факторов является продолжительность процесса разрушения породы на контуре выработки, зависящая от свойств горной породы и сетки расположения оконтури-вающих шпуров.

В таблице 1 приведена продолжительность разрушения породы между оконтурива-ющими шпурами в зависимости от расстояния между ними (Е) и величины линии наименьшего сопротивления зарядов оконтуривающих шпуров (Ж) при различных коэффициентах крепости

Из приведенных данных видно, что с увеличением линии наименьшего сопротивления продолжительность разрушения породы увеличивается, причем более интенсивно при снижении коэффициента крепости горных пород и для каждой группы горных пород существует определенная зависимость между величинами Е и Ж, при которой продолжительность разрушения наименьшая.

На скорость разрушения породы по линии оконтуривания существенное влияние оказывает естественная трещиноватость горных пород и ориентировка систем трещин относительно линии оконтуривания. Скорость разрушения увеличивается с увеличением трещиноватости по-

Таблица 1. Продолжительность разрушения породы между оконтуривающими шпурами Table 1. Duration of rock destruction between contouring bore holes

Горные породы f W, м Е, м Продолжительность разрушения, м/с

от - до среднее

1 2 3 4 5 6

Крепкие, светло-серые, монолитные 8-12 0,4 0,4-0,8 1,2-2,1 1,5

0,6 0,4-0,8 1,5-2,4 2,0

0,8 0,4-1,0 2,0-2,7 2,2

1,0 0,4-1,2 2,3-3,8 2,8

Песчаники крепкие 6-8 0,4 0,4-0,8 3,8-5,1 4,4

0,6 0,4-0,8 4,5-6,7 5,4

0,8 0,4-1,0 5,4-7,4 6,2

1,0 0,4-1,2 6,5-8,9 7,1

Песчаники средней крепости крепкие алевролиты 4-6 0,4 0,4-0,8 7,4-9,6 8,1

0,6 0,4-0,8 8,3-10,5 9,4

0,8 0,4-1,0 10,1-12,0 10,6

1,0 0,4-1,2 10,8-12,3 11,8

Е, м 0,8 f = 9 - 1 2

0,6 f= 4 - б f= 6 - 8

0,4

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0.8 1,0 W, м

Рисунок 1. Гоафик зависимости оптимальных расстояний между оконтуривающими шпурами

роды и с уменьшением угла между плоскостью оконтуривания выработки к одной из наиболее интенсивных систем трещин и, в общем случае, от свойств горных пород и схемы расположения оконтуривающих шпуров (расстояния между оконтуривающими шпурами) зависит скорость разрушения и сдвижения отбитого слоя горной породы.

На рисунке 1 приведен график оптимальных расстояний между оконтуривающими шпурами при различной величине ЛНС зарядов ВВ обеспечивающих минимальное время разрушающего действия взрыва на законтурный массив.

Оптимальные значения расстояний между оконтуривающими шпурами возрастают с увеличением ЛНС. Вначале (до W = 0,6 м) увеличиваются почти пропорционально, а при дальнейшем увеличении ЛНС оптимальные расстояния изменяются незначительно. Наибольшее возрастание оптимальных расстояний наблюдается в более слабых породах.

Так, в породах с f = 4-6 при изменении ЛНС зарядов от W = 0,2м до W = 0,6м оптимальные расстояния между оконтуривающими шпурами составляют 0,34 и 0,77 м, то в породах с f = 6-8 эта величина изменится с 0,5 м до 0,82 м, а в породах с f = 8-12 только с 0,6 м до 0,86 м. Таким образом, для всех категорий горных пород величина коэффициента сближения зарядов ВВ - величина переменная и уменьшается с увеличением ЛНС.

Степень нарушенности законтурного массива горных пород оценивалась по кернам, из-

влекаемым после взрывания зарядов ВВ в оконтуривающих шпурах. При проходке горных выработок в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова f = 4-6 массив в зоне расположения заряда ВВ до глубины 0,30-0,45 м имел густую сеть трещин и керн почти всегда был разделен на кусочки, размер которых с глубиной расположения керна увеличивался. С повышением коэффициента крепости горных пород эта глубина уменьшалась и составляла 0,15-0,30 м и при дальнейшем увеличении глубины керн выходил без видимых нарушений и поэтому дальнейшая оценка глубины нарушенности массива без дополнительной обработки кернов была невозможной.

Интерес представляло изучение степени нарушенности законтурного массива в местах расположения заряда ВВ и внутренней забойки. Сравнение результатов исследований с помощью ультразвуковой аппаратуры показало, что на участках расположения заряда ВВ нарушен-ность породного массива в породах с коэффициентом крепости f = 4-6 составляла, в среднем, 1,03 м, а на участке расположения внутренней забойки 0,7 м. В породах сf = 8-12 нарушенность составляла, соответственно, 0,56 и 0,33 м, т.е. на участках расположения зарядов ВВ нарушенность породного массива в 1,3-1,6 раза больше, чем на участках расположения внутренней забойки.

Значительное влияние на величину зоны нарушенности и ее состояние оказывает расстояние между оконтуривающими шпурами. Причем влияние расстояния между шпурами на область трещинообразования и область волнового ослабления не одинакова. На рис. 2 представлено изменение величины и состояние зоны нарушенности законтурного массива в породах с f = 4-6 в зависимости от расстояния между оконтуривающими шпурами (Е). Так, в породах с коэффициентом крепости f = 4-6 нарушенность законтурного массива при Е = 80 см в 1,7 раза больше на участке расположения заряда ВВ и в 1,8 раза больше на участке расположения внутренней забойки, чем при Е = 20 см.

Изменяется и состояние общей зоны нарушенности с изменением расстояния между шпурами. Если общая глубина зоны нарушенности постоянно возрастает с ростом расстояния между шпурами, то область трещинообразова-ния имеет минимальное значение при Е = 50 см. Уменьшение и увеличение расстояния между шпурами ведет к увеличению глубины трещино-образования, что имеет весьма важное значе-

Н, см 120 1

80 JT 2 _

40 > 3 ^"4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Е, м

Рисунок 2. Изменение глубины нарушенности законтурного массива (Н) от расстояния между оконтуривающими шпурами (Е): 1-2 - общая зона ослабления законтурного массива на участках расположения зарядов ВВ и внутренней забойки, соответственно; 3-4 - то же, зона радиальных трещин

Figure 2. Changing the depth of violation of the contour array (N) from the distance between the contouring bores (E): 1-2-the General area of weakening of the contour array at the sites of the location of the EXPLOSIVE charges and the inner face, respectively;

3-4-the same, the zone of radial cracks

ние для устойчивости горных выработок.

Исследования показали, что продолжительность разрушения породы взрывом оконту-ривающих шпуров составляет в породах с f = 4-6 от 7 до 13 мс, в породах сf = 6-8 от 4 до 9 мс и в породах с f = 8-12 от 1,5 до 5 мс.

Глубина зон трещиноватости при этом составляет в породахf = 4-6 от 0,32 до 0,8 м, в породах сf = 6-8 от 0,2 до 0,43 м, а в породах сf= 8-12 от 0,12 до 0,23 м.

Кроме того, с увеличением коэффициента крепости горной породы возрастание глубины зоны трещинообразования с увеличением времени действия взрыва значительно менее интенсивно, чем в слабых породах.

Так, в породах с коэффициентом крепости f = 4-6 увеличение времени действия взрыва с 6 до 13 мс, то есть в 2,2 раза, дает увеличение глу-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

бины зоны трещинообразования с 0,32 до 0,8 м, то есть в 2,5 раза. А в породах с коэффициента крепости f = 6-8 и с f = 8-12 увеличение времени разрушения, соответственно, с 4 и 1,5 мс до 9 и 4,8 мс, то есть в 2,25 и в 3,2 раза, дает увеличение глубины зоны трещинообразования только с 0,2 и 0,12 м до 0,43 и 0,22 м, то есть в 2,15 и 1,8 раза.

Было установлено также, что при повторном и последующих воздействиях волн напряжений от взрыва зарядов ВВ в оконтуривающих шпурах глубина нарушенности законтурного массива увеличивается в 1,15-1,2 раза и поэтому для определения общей глубины нарушен-ности, при расчетах следует вводить коэффициент, равный 1,2. Исследования показали также, что глубина зон нарушенности законтурного массива горных пород неравномерна по периметру горной выработки - в кровле выработки она составляет, в среднем 1,2-1,3 глубины зоны нарушенности в боках выработки. Такое соотношение объясняет тот факт, что при проходке и эксплуатации горных выработок происходят аварийные ситуации, связанные с обрушением кровли. Наличие зон трещинообразования в законтурном массиве значительно снижает устойчивость породных обнажений из-за целого ряда факторов - постоянно действующего горного давления, нарушение равновесного состояния породного массива, физико-механических свойств окружающих горных пород, наличие и количество влаги в породном массиве и др.

Для предотвращения аварийных ситуаций необходимо при разработке паспортов буровзрывных работ учитывать все условия и причины образования зон трещинообразования в законтурном массиве горных пород и принимать соответствующие решения, направленные на обеспечение устойчивости горных выработок в период их эксплуатации, в том числе и применении определенных способов крепления породных обнажений.

Копытов, А. И. Разработка рациональной технологии крепления горных выработок в удароопасных условиях / А. И. Копытов, А. А. Лебедев, Б. А. Утробин // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2017, № 5. - С. 10-14. Масаев, Ю. А. Условия проведения горных выработок в напряженном породном массиве // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2013, № 3. - С. 24-26.

Копытов, А. И. Взрывные работы в горной промышленности / А. И. Копытов, Ю. А. Масаев, В. В. Першин. Монография. - Новосибирск, Наука, 2013. - 511 с. Штумпф, Г Г Горное давление в подготовительных выработках угольных шахт / Г. Г. Штумпф, П. В. Егоров, Петров А. И. - Москва : Недра, 1996. - 352 с.

Масаев, Ю. А. Исследование влияния напряженного состояния горного массива на эффективность взрывных работ / Ю. А. Масаев, Д. Ф. Тимофеев // Вестник Кузбасского государственного технического университета. Материалы II Российско-Китайского симпозиума «Строительство подземных сооружений и шахт», 2002, № 5. - С. 53-54.

6. Доманов, В. П. Исследование условий формирования зоны нарушенности законтурного массива и ее влияние на устойчивость горных выработок / В. П. Доманов, Ю, А. Масаев, В. Ю. Масаев, Е. Н. Бала-ганская // Вестник научного центр по безопасности работ в угольной промышленности, 2015, № 1. -С. 16-20.

7. Патент 138709 Российская Федерация, МПК Е 2121/00 (2006.01). Распорно-прижимной анкер / Ю. А. Масаев, В. Ю. Масаев, С. А. Соколов ; заявитель и патентообладатель Кузбасс. гос. техн. ун-т. № 2013143403/03 ; заявл. 26.11.2013 ; опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8.

8. Масаев, Ю. А. Новые разработки в области крепления и повышения устойчивости породных обнажений в горных выработках / Ю. А. Масаев,

B. Ю. Масаев, Л. Д. Филина // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2015, № 1. -

C. 41-45.

9. Першин, В. В. Исследование закономерностей формирования импульса давления в зарядной полости / В. В. Першин, Ю. А. Масаев, Н. В. Мильбергер. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. Екатеринбург 2015, № 1. - С. 93-102.

10. Копытов, А. И. Строительство подземных объектов особого назначения в условиях железорудных месторождений Кузбасса / А. И. Копытов, Ю. А. Масаев // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды V Международной конференции. 7-8 октября 2016 г, Екатеринбург, 2016. - С. 216-221.

REFERENCES

1. Kopytov, A. I., Lebedev, A. A.,& Utrobin, B. A. (2017). Development of rational technology for fixing mining workings in shock- prone conditions. Bulletin of the Kuzbass state technical University, 5. - 10-14. [In Russian].

2. Masaev, Yu. A. (2013). Conditions for mining operations in a stressed rock mass. Bulletin of the Kuzbass state technical University, 3. - 24-26. [In Russian].

3. Kopytov, A. I., Masaev, Yu. A.,& Pershin, V. V. (2013). Blasting operations in the mining industry. Monograph. -Novosibirsk, Nauka, . - 511 p. [In Russian].

4. Shtumpf, G. G., Egorov, P. V.,& Petrov, A. I. (1996). Mountain pressure in the preparatory workings of coal mines. Moscow: Nedra. [In Russian].

5. Masaev, Yu. A., & Timofeev, D. F. (2002). Study of the influence of the stress state of the mountain massif on the efficiency of blasting. Bulletin of the Kuzbass state technical University. Materials of the II Russian-Chinese Symposium "Construction of underground structures and mines", 5. - 53-54. [In Russian].

6. Domanov, V. P., Masaev, Yu. A., Masaev, V. Yu.,& Balaganskaya, E. N.(2015). Investigation of the conditions for the formation of a zone of disturbance of the rock mass and its influence on the stability of mining workings. Bulletin of the scientific center for safety of work in the coal industry, 1.- 16-20. [In Russian].

7. Masai, Y. A., Mamaev, V. Y.,& Sokolov, S. A. . (2014). Patent 138709 Russian Federation, IPC E 21/00 (2006.01). Spacer- hold- down anchor; applicant and patentee of Kuzbass. state tech. uni-T. no. 2013143403/03; declared. 26.11.2013; publ. 20.03.2014, Bulletin, 8. [In Russian].

8. Masaev, J. A., Masaev, V. Yu.,& Filina, L. D. (2015). New developments in the field of fastening and increasing the resistance of rock outcrops in mine workings. Bulletin of the Kuzbass state technical University, 1. - 41-45. [In Russian].

9. Pershin, V. V., Masaev, Yu. A.,& Milberger, N. V. (2015). Investigation of regularities of pressure pulse formation in the charging cavity. News of higher educational institutions. Mining journal. Yekaterinburg, 1. - 93-102. [In Russian].

10. Kopytov, A. I.,& Masaev, Yu. A. (2016). Construction of special purpose underground facilities in the conditions of iron ore deposits of Kuzbass. Design, construction and operation of complexes of underground structures. Proceedings of the V International Conference. October 7-8, 2016, Yekaterinburg, - 216-221. [In Russian].

21