Повышение достоверности контроля и прогноза устойчивости кровли и налегающей толщи на рудных месторождениях

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Г.В. Захарченко, 2001

УДК 622.831 % ^

Г.В. Захарченко

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ КРОВЛИ И НАЛЕГАЮЩЕЙ ТОЛЩИ НА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

С

оздание пустот в породных массивах сопровождается перераспределением горного давления. Результатом действия сил горного давления являются «проявления горного давления» - деформации, сдвижения и разрушения горных пород. Видимые проявления горного давления обычно наблюдаются в подземных выработках и на земной поверхности на последних стадиях протекания процесса разрушения, а длительные по времени деформации, в том числе упругие, можно лишь измерить точными приборными и оценить инструментальными методами.

Для оценки состояния массива горных пород необходимо изучение двух основных процессов: формирование напряженного состояния массива пород и его изменения в связи с проведением выработок; сдвижение горных пород, проявляющееся в различных формах. Для этого используются различные методы контроля. Выбор средств контроля осуществляется в соответствии с указанными процессами.

Таким образом, основная задача прогноза опасных проявлений горного давления состоит в том, чтобы выяснить механизм развития процесса обрушения, выявить доминирующие его параметры. Для решения указанной задачи необходимо совершенствование прогнозных моделей разрушения породных массивов, и в этом направлении работы постоянно ведутся в ФТИ им. Иоффе, ИПКОН РАН, ИФЗ РАН, ИГД им. Скочинского, ВНИМИ, ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, Геофизическом центре РАН, Горном институте УрО

РАН, Горном институте КНЦ РАН, Красноярской аэрокосмической академии, МГГУ и других организациях.

Другой стороной решения этой задачи является совершенствование методик измерений и обработки их результатов. Огромные возможности, появившиеся в последнее время в связи с развитием компьютеров и программного обеспечения для них, являются мощной базой для наиболее эффективного использования данных, получаемых в результате трудоемких натурных наблюдений. Решение проблемы контроля состояния массива пород вокруг выработок непосредственно связана с анализом геологических и техногенных факторов, с созданием адекватных прогнозных физических или феноменологических моделей, с разработкой аппаратуры, методов и методик наблюдений и обработки данных.

Механизм деформирования и разрушения массива горных пород при системах разработки с открытым выработанным пространством имеет свои особенности, обусловленные горногеологическими условиями месторождения, фи-зико-механи-ческими свойствами руды и вмещающих пород, параметрами системы и технологией добычи полезного ископаемого [1].

Статистический анализ случаев обрушения налегающей толщи горных пород и непосредственной кровли, имевших место на Жезказганском месторождении за период с 1980 по 1994 гг. позволил сделать следующие выводы [2]:

• разрушение междукамерных целиков (МКЦ) и обрушение налегающей толщи горных пород происходит без заметного проявления реологических процессов в результате накопления хрупких повреждений массива от статических (горное давление) и динамических (сейсмические воздействие взрывов) нагрузок; обрушение налегающей толщи горных пород - процесс, развивающийся во времени; постепенное разрушение группы МКЦ приводит к появлению ослабленного участка, внезапное обрушение кровли на котором происходит после того, как пролет ослабленного участка превысит предельный;

• кровля горных выработок, сложенная серым песчаником, более надежна в эксплуатации по сравнению с кровлей из красноцветных пород;

• наиболее опасными являются призабойные участки кровли или участки, приуроченные к жестким опорам, ширина таких зон не превышает 20 м.;

• возникновение высоких концентраций касательных напряжений в кровле при прочих равных условиях зависит от жесткости опор.

На участках с перекрывающимся выработанным пространством наиболее слабым звеном может оказаться междукамерная потолочина и ее разрушение, как правило, приводит к массовому разрушению междукамерных целиков и обрушению налегающей толщи. Поэтому контролю кровли и вышележащей толщи должно быть уделено первостепенное внимание.

Вопросам разрушения горных пород ввиду важности проблемы посвящено значительно число публикаций, появляющихся на протяжении длительного времени. Существуют различные как физические, так и феноменологические модели, разработаны различные теории прочности.

Классические работы по теории прочности основаны на детерминистском подходе к решению этого вопроса, когда устойчивость твердых тел определялась по превышению предела прочности величины напряжений. Считалось, что разрушение наступает при невыполнении этого условия, когда нагрузка превысит прочность. Такой подход применяется в некоторых случаях и до сих пор.

Важным шагом в развитии явилась статистическая теория прочности. Впервые статистическая природа запаса прочности была показана в 1926 г. М. Майером [3] и в 1929 г. Н.Ф. Хопиа-ловым [4]. В последующих работах А.Р. Ржани-цына [5] методы теории вероятности были более последовательно применены к решению задачи обеспечения прочности. Принципиальные положения и результаты этих исследований следующие. Основная часть исходных расчетных данных представляется в виде случайных величин с заданными кривыми распределения. Исходя из установленных детерминированных зависимостей между прочностными факторами и параметрами нагрузки определяется разность S между приведенной прочностью R и приведенной нагрузкой Q (выраженных в одних и тех же единицах), и для этой разности строится кривая рас-

пределения. Вероятность того, что S будет иметь положительное значение, представляет собой величину обеспеченности или надежности, которая должна быть достаточно близкой к единице. Из этого условия определяется необходимый коэффициент запаса. Задача решается особенно просто, если приведенные прочность и нагрузка имеют нормальные распределения. Аналогичные исследования в это время проводились и были опубликованы за рубежом (Фрейденталь Леви и

др.).

Существенным развитием идей Н.Ф. Хоциа-лова и М. Майера явились работы Н. С. Стрелецкого [6], в которых в качестве случайных величин использовались не только прочностные характеристики материала, но и параметры нагрузки.

Появление монографий и учебников по теории случайных процессов способствовало использованию этой теории в задачах расчета надежности конструкций. К этому времени относится публикация статей и монографий В. В. Болотина [7, 8], где теория случайных процессов была применена к решению многих задач теории надежности.

Таким образом, уже к 1950 г. были разработаны основные положения теории надежности и вероятностного метода расчета конструкций. Использование теории случайных процессов позволило учитывать такой важный фактор, как время. Однако, физические основы процессов разрушения твердых тел под нагрузкой и во времени были созданы лишь в последние 30-40 лет.

С середины шестидесятых годов в Ленинградском физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе РАН под руководством С.Н. Журкова разрабатывается кинетическая концепция прочности твердых тел [9]. Основной вывод, базирующийся на огромном экспериментальном материале [10], заключается в том, что макроскопическое нарушение образца при его механическом нагружении происходит не только при достижении прочности, но и при более низких нагрузках. Для этого лишь необходимы более длительные воздействия. Это время тратится на развитие термоактивационного процесса накопления повреждений или трещин, а макроразрушение наступает при достижении критических или предельных концентраций в месте будущего разрыва. То есть разрушение рассматривается как процесс, развивающийся во времени [11], начинающийся с момента приложения механического на-

пряжения и заканчивающийся катастрофой -разделением тела на части.

Таким образом, одновременно идут четыре процесса: первый - активация микродефектов по всему объему, особенно интенсивная в областях перенапряжения; второй - появление микротрещин, образующихся в результате слияния микродефектов. Третий и четвертый - объединение и рост микротрещин соответственно. Изменение длин микротрещин может происходить за счет соединения их и присоединения микродефектов к их вершинам. Прорастание магистральной трещины, разделяющей объем на две части, при выполнении концентрационного критерия - это результат последовательного объединения ближайших микротрещин за счет активирования микродефектов в перемычках между ними. Разрушение нельзя описать по детерминирующей модели, так как оно имеет стохастический характер.

Существование иерархии структур, а значит и наличие определенной концентрации при переходе от одного уровня к другому было подтверждено в работах М.А. Садовского [12, 13]. Подобие в процессах разрушения на различных масштабных уровнях позволяет использовать кинетическую модель разрушения для прогноза обрушений кровли подземных выработок, бортов карьеров, горных ударов и коровых землетрясений.

Как правило, целью прогноза обрушения является оценка места, времени и энергии готовящегося разрушения. Кинетическая природа разрушения позволяет говорить о нем как о процессе, протекающим во времени. Однако статистический аспект, обусловленный случайным характером места и времени возникновения разрушающих термофлуктуаций еще мало исследован. Поэтому вопросы статистических закономерностей трещинообразования, вероятностный механизм разрушения на различных масштабных уровнях требуют дополнительных исследований с привлечением новейших методов горной геофизики, теории вероятностей, математической статистики, вычислительной техники и математического моделирования. Применение же качественно новой методологии научных исследований -вычислительного эксперимента, суть которого наиболее полно отражается в триаде «модель-алгоритм-программа», позволяет получить новые

результаты при прогнозировании разрушения не только горных пород, но и других твердых тел.

К настоящему времени в отечественной и зарубежной практике применяется широкий арсенал методов и средств геомеханического контроля состояния массива горных пород и прогноза его удароопасности [14, 15, 16, 17]. Большинство методов и средств геомеханического контроля направлено на решение одной из основных задач

- на определение тензора напряжений в массиве и оценку механических и деформационных характеристик горных пород. Для оценки кинетических параметров процесса формирования очага разрушения в массиве горных пород используются, как правило, геофизические методы, основанные на измерении физических свойств массива, прямым или косвенным образом зависящих от его напряженного состояния [18]. Основное достоинство этих методов - высокая оперативность, возможность проведения измерений на больших базах, дистанционно, в течение длительного времени, возможность автоматизировать процесс измерений и обработки результатов [19, 17, 20]. Наиболее широкое применение получили ультразвуковой [14, 15], сейсмоакустический [21, 22], сейсмический [23, 24], радиометрический [25], электромагнитный [26, 27], электрометрический [28] и ряд других методов.

Наибольшее число работ посвящено системам сейсмического (сейсмоакусти-ческого) и деформационного контроля. Это обусловлено «выживаемостью» этих методов в сложных и тяжелых условиях горного производства, достаточно ясной по сравнению с другими методами геомеханической интерпретацией результатов измерений. Поэтому в дальнейшем в работе основное внимание будет уделено именно сейсмическому и деформационному методу.

Известно, что в районах развития техногенной сейсмичности, наряду с единичными крупными обрушениями, происходит большое число микро землетрясений, которые не ощущаются людьми и могут быть зарегистрированы только высокочувствительной аппаратурой. Не вызывает сомнения, что закономерности сейсмического режима, установленные в результате непрерывных наблюдений за техногенной сейсмичностью, вносят весомый вклад в решение проблемы прогноза крупных обрушений. Особо важное значение имеет непрерывность измерений сейсмического режима [29].

Разрабатываются и другие методы, основанные на регистрации волновых процессов в массиве пород.

Деформометрический метод характеризуется прямыми измерениями базы между точками измерения - реперами. Пример - это деформометри-ческая система "Массив". Такие методы характеризуются высокой точностью измерений, их наглядностью и простым физическим смыслом, но в то же время трудоемки и требуют как больших подготовительных затрат, так и затрат в процессе измерения.

Геофизические методы в отличие от деформо-метрических не имеют прямой связи с измерениями линейных размеров, что снижает их достоверность, но в то же время имеют ряд преимуществ, основными из которых являются возможность повторных замеров и получение данных при малых напряжениях в массиве. Все эти методы хорошо автоматизируются, позволяют проводить как точечные замеры, так и контроль больших объемов горного массива. Их относительно невысокая достоверность компенсируется большим количеством измерений в единицу времени. Тем не менее, эти методы носят, в основном, вспомогательный характер.

Деформационные наблюдения, в целом давая полезную и необходимую информацию о процессах разрушения в породной толще, не могут с требуемой для практики высокой надежностью решить проблему контроля и прогнозирования обрушений кровли, как внутренних, так и с выходом на поверхность, и требуют дополнительных мер по повышению достоверности.

Развитие методов обработки результатов измерений сегодня достигло высокого уровня, особенно в связи с достижениями в области компьютерного программного обеспечения. Это предоставляет широкие возможности для повышения достоверности контроля напряжен-но-деформрованного состояния кровли и налегающей толщи по результатам деформационных и сейсмических наблюдений. Среди них следует отметить различные статистические методы, методы распознавания образов, методы нечеткой логики. В последнее время интенсивное развитие получили нейросетевые технологии, основанные на обучении структур,

являющихся простейшими аналогами человеческого мозга.

Анализ характера задачи распознавания объектов или явлений в случае, когда характер признаков вероятностный, т.е. когда между признаками объектов и классами, к которым они могут быть отнесены, существуют вероятностные связи, показал, что построение алгоритмов распознавания может быть основано на результатах теории статистических решений [30].

Существует большое количество методов классификации, которые относятся к методам распознавания образов и теории статистических решений [31].

Важным вопросом является выбор количества классов. Большое число классов состояний требует значительного количества статистического материала, что не всегда может быть выполнено достаточно быстро. Малое же количество классов может недостаточно точно характеризовать объект контроля и приводить к ошибкам. Можно считать, что оптимальным будет количество классов, равное числу групп мероприятий, которые необходимо применять в том или ином случае.

Каждый из методов в отдельности обеспечивает определенный уровень достоверности определения состояния пород и прогнозирования процессов разрушения, однако, для практического применения с высокой степенью надежности этот уровень должен быть выше, что может быть достигнуто совершенствованием как каждого метода в отдельности, так и благодаря сочетанию их друг с другом. Разработана методология расчета необходимого количества информативных параметров в зависимости от конкретных условий наблюдения, базирующаяся на положениях теории информации и предусматривающая расчет коэффициентов информационной необходимости контроля и информационной эффективности используемых параметров. Но она не была ранее приложена для объектов с учетом фактора времени. А ведь поскольку прочностные характеристики конструктивных элементов систем разработки, таких как целики, кровля, налегающая толща, меняются во времени, следует проследить изменение коэффициента необходимости контроля реальных объектов за все время существования выработок. Кроме того, эта методология в своем развитии должна быть применена для решения конкретных задач в виде конкретных методик по-

вышения достоверности контроля состояния пород- ных массивов.

1. Борщ-Компониец В.И., Макаров А.Б. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей. М., Недра, 1986-271 с.

2. Зайцев О.Н. Исследование устойчивости непосредственной кровли и выработанного пространства в условиях Жезказган-ского месторождения. Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 197320 с.

3. Mayer M. DieSicherheit der Bauwerte und ihre Berechnung nach graenzkraef-ten statt nach zulaessigen Spannungen/ Springer Verlag, Berlin.-1926.

4. Хопиалов Н.Ф. Запасы прочности. Строительная промышленность, 1929, №10.

5. Ржаницын А.Р. Расчет сооружений с учетом пластических свойств материалов. Изд. 1-е, М., Стройвоениздат, 1949, изд. 2-е. М., Госстройиздат, 1954.

6. Стрелецкий Н.С. К вопросу установления коэффициентов запаса сооружений. «Известия АН СССР», ОТН, 1947, № 1.

7. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М., Стройиздат, 1961,

8. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М., Стройиздат, 1971.

9. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел //Вестн. АН СССР. - 1968. №3. -С. 3-17.

10. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. -М.: Наука, 1974. -560 с.

11. О прогнозировании разрушения горных пород / С.Н. Журков, В.С. Куксенко, В.А. Петров и др. // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1978. №6. - С. 11-18.

12. Садовский М.А., Писаренко В.Ф., Родионов В.Н. От сейсмологии к геомеханике. От модели геофизической среды // Вестник АН СССР. - 1983 -№1. - С. 82-88.

13. Садовский М.А. Иерархия структур: от пылинок до планет // Земля и вселенная. - 1984. - №6.

- С.4-9.

14. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследования проявления горного давления. - М.: Недра, 1981. - 128 с.

15. Ржевский В.В., Ямщиков В.С. Ультразвуковой контроль и исследования в горном деле. - М.: Недра, 1968. -120 С.

16. Ямщиков В.С. Ультразвуковые и звуковые методы исследования горных пород. - М.: Недра, 1964. - 72 с.

17. Аппаратура беспроводного автоматического контроля деформаций целиков и кровли «Массив» / В.С. Ямщиков, Л.Л. Павлов, А.С. Вознесенский и др. // Горный журнал. -1980. -№12. С. 41-42.

18. Борщ-Компаниец В.И., Катаргин Ю.Я. Комплекс геофизических приборов для контроля параметров акустической эмиссии горных пород // Горная геофизика. - Тбилиси, 1983. С. 99.

19. Протосеня А.Г., Генин

Б.С. Контроль и прогнозирование горного давления с использованием информационно-

вычислительных систем // Методология и технические средства определения напряжений в горном массиве. - Новосибирск, 1983. - С. 25-28.

20. Коган И.Ш., Ямщиков В.С., Корн А.В. Автоматизированный контроль устойчивости конструктивных элементов сис-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

тем разработки // Безопасность труда в промышленности. - 1985. -№10. - С. 28-31.

21. Анциферов М.С. Сейсмоа-кустическая аппаратура и возможности ее применения для контроля горного давления // Методы и приборы для изучения горного давления. - М., 1964. - С. 35-40.

22. Сейсмоакустический комплекс «Гроза-16» / В.В. Волков, Б.М. Зиновьев, В.А. Малашенков и др. // Горная геофизика. - Тбилиси, 1983. - С. 90.

23. Пространственно-временной анализ процессов разрушения горного массива на примере Северо-Уральских бокситовых месторождений (ПО СУБР) / К.А. Войнов, А.С. Краков, Н.Г. Томилин, Д.И. Фролов // ФТПРПИ. - 1987. -№1. - С. 22-27.

24. Методика прогноза сейсмических явлений (горных ударов) на основе расчета концентрационного параметра / А.Ю. Гор,

В.С. Куксенко, Н.Г. Томилин, Д.И. Фролов // Тез. докл. науч. семинара по горной геофизике, 30 октября - 2 ноября 1989. Часть I. -Тбилиси, 1989. - №3. - С. 54-60.

25. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. - М.: Недра, 1982. - 296 с.

26. Куксенко В.С., Килькеев Р.Ш., Мирошниченко М.И. К интерпретации электрических предвестников землетрясений //ДАН СССР. - 1981. - Т.260, в.4. - С. 841843.

27. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. - М.: Недра, 1982. - 296 с.

28. Электрическая система поиска заколов / Г.Я. Новик, И.Ю. Буров, Г.М. Диашова и др. // Методология и технические средства

определения напряжений в горном массиве. - Новосибирск, 1983. -

С. 107-109.

29. Квитко С.Я., Райзман В.И., Эренбург М.С., Сатов М.Ж. Аппаратура для изучения и кон-

троля техногенной сейсмичности. // Горный журнал, №3, 1999

30. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1977, 222 с.

31. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов. Пер. с англ. -М.: Наука, 1979, 368 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =

Захарченко Галина Владимировна - аспирантка, кафедра «Физико-технического контроля процессов горного производства, Московский государственный горный университет.

^^