Прогнозирование и предупреждение горных ударов в выработках при разработке железорудных месторождений Урала

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I981−1985 гг. и на период до 1990 года предусматривается дальнейшее развитие горнодобывающих отраслей промышленности, в том числе горнорудной, опережающие расширение сырьевой базы и повышение производительности труда. Так, в черной металлургии производительность труда должна возрасти на 12−14 $.

Весомый вклад в расширении сырьевой базы черной металлургии страны должно сыграть включение в разработку новых, глубокозале-гакхцих горизонтов месторождений, значительная часть которых будет разрабатываться подземным способом.

Увеличение объемов добычи полезных ископаемых подземным способом и, в связи с этим, быстрое понижение уровня очистных работ приводит к тому, что на больших глубинах горное давление начинает проявляться в динамической форме, возникает опасность горных ударов.

Практика ведения горных работ в удароопасных условиях и борьбы с горными ударами за рубежом имеет более чем полувековую историю. Однако, до настоящего времени эта проблема на глубоких зарубежных рудниках полностью не решена и разрушительные горные удары там продолжают иметь место. Они выводят из строя горные выработки, целые горизонты и даже шахты, ведут к снижению объема и темпов добычи, к потере полезных ископаемых в недрах, непроизводительным затратам, большому материального ущербу и человеческим жертвам.

В настоящее время в СССР более 45 рудных и нерудных месторождений Госгортехнадзором СССР отнесены к угрожаемым и опасным по горным ударам, в том числе и железорудные месторождения. Наиболее остро проблема предупреждения горных ударов стоит перед рудниками. СУБРа, Горной Шории, Норильска, Коунрада, Кривого Рога, ДжезказL гана и некоторыми другими. На Урале к угрожаемым по горным ударам отнесены три железорудных месторождения: Песчанское, Гороблагодат-ское и Естюнинское. В ближайшие годы еще несколько уральских месторождений железных руд могут быть отнесены к угрожаемым. Поэтому уже сейчас необходимо иметь такие технические решения и методы прогнозирования опасных явлений, которые позволили бы предупредить удароопасность и снизить ее отрицательные последствия.

Таким образом, повышение эффективности предупреждения горных ударов на рудниках, в том числе и на уральских железорудных, требует решения сложной научно-технической задачи.

За последнее время в СССР для ее решения в соответствии с Постановлениями ГКНТ при Совете Министров СССР по проблеме горных ударов были привлечены многие научно-исследовательские институты, в том числе ИГД МЧМ СССР, который проводит исследования по этой проблеме в Урало-Казахстанском регионе.

Научные исследования по горным ударам как в СССР, так и за рубежом показали, что основными причинами горных ударов являются высокое напряженное состояние массива пород и наличие пород, склонных к хрупкому разрушению. В соответствии с этим, ВНИМй впервые в СССР были сформулированы основные принципы и разработан комплекс мер борьбы с горными ударами, благодаря чему была успешно решена рассматриваемая проблема на угольных шахтах нашей страны.

Опыт борьбы с горными ударами показал, что наиболее успешно эта задача решается тогда, когда меры предупреждения предусматриваются на уровне проектирования отработки удароопасных зележей и горизонтов.

Для предупреждения горных ударов на рудниках к настоящему времени разработано большое число профилактических мероприятий. В большинстве своем они отличаются большой трудоемкостью, а параметры их. определяются опытным путем в процессе разработки месторождения. Кроме того, необходимость применения мер профилактики устанавливается путем непосредственного прогнозирования ударо-опасности в выработках, целиках, рудном забое и других местах, где массив пород может быть перенапряженным. Из-за этого горные удары продолжают иметь место, поскольку как прогноз, так. и меры их предупреждения применяются в этом случае с опозданием.

Одной из основных причин недостаточной эффективности применяемых мер предупреждения горных ударов на рудниках является отсутствие методики расчетного прогноза удароопасности выработок на стадии составления проектов отработки удароопасных горизонтов или участков и должного геомеханического обоснования применяемых мер профилактики динамических проявлений в выработках с учетом влияния горно-геологических и горно-технических факторов.

Таким образом, исследование по прогнозированию и предупреждению горных ударов в выработках рудников, направленные на повышение. безопасности горных работ, являются важными и актуальными.

Цель работы — установление закономерностей влияния горно-геологических и горно-технических факторов на удароо-пасность горных выработок для разработки расчетного прогноза и своевременного применения мер профилактики горных ударов, позволяющего повысить безопасность горных работ.

Объект исследования — железорудные шахты Урала. Конкретно исследуются выработки на действующих и нижележащих горизонтах рудников.

Идея работы — использование закономерностей изменения при ведении горных работ фактического первоначального напряженного состояния пород под влиянием горно-геологических и горно-технических факторов в расчетном прогнозе и при разработке мер профилактики горных ударов.

Научные положения, защищаемые в работе: прогноз удароопасности выработок производится на стадии составления проектов и базируется на аналитических расчетах, учитывающих свойства массива и закономерности изменения фактического первоначального напряженного состояния крепких горных пород вокруг выработок под влиянием горно-геологических и горно-технических фактороввыбор мероприятий по предупреждению удароопасности осуществляется на стадии проектирования и обосновывается результатами расчетного прогноза удароопасности выработокпараметры мероприятий по предупреждению удароопасности определяются исходя из фактического напряженного состояния пород вокруг выработок, их свойств и размеров выработок.

Достоверность научных положений подтверждена сходимостью теоретических и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований, опытно-промышленной проверкой, внедрением результатов исследования в практику проектирования и разработки нижних горизонтов железорудных шахт Урала.

Научная новизна. Впервые применительно к условиям железорудных месторождений Урала с крепкими горными породами: разработан расчетный прогноз удароопасности выработок на стадии составления проектов отработки нижележащих горизонтов рудников с учетом свойств пород, их первоначального напряженного состояния и закономерностей его изменения при разработке месторожденийопределены зоны концентрации напряжений у выработок при проведении их через нарушения, контакты пород и секущие дайки, разработана безопасная технология их проходкив механизме стреляния пород выявлена роль остаточных напряжений, получены зависимости, позволяющие оценить скорость полета пластин при стрелянии, длину опасного и безопасного по стрелянию пород интервала выработки цри проходкеполучены аналитические зависимости для определения критических глубин удароопасности выработок на стадии проектирования с учетом основных горно-геологических и горно-технических факторов, первоначального напряженного состояния массива и свойств породустановлены зависимости параметров мероприятий по предупреждению удароопасности в выработках от размеров их поперечного сечения, свойств пород и действующих в них напряжений.

Практическая ценность. Разработанная методика расчетного прогноза удароопасности позволяет на стадии проектирования отработки определить степень удароопасности выработок на рудниках с крепкими горными породами и принять необходимые меры по цредупреждению горных ударов. Предложенные параметры мер профилактики удароопасности и технологические схемы безопасного проведения выработок через дайки, контакты разномодульных пород и нарушения способствуют повышению безопасности горных работ.

Реализация работы. Рекомендации по безопасному ведению горных работ использованы в проектахотработки нижних горизонтов уральских шахт «Северопесчанской», «Южной» и «Естюнинской», угрожаемых по горным ударам.

Разработанные «Указания по безопасному ведению горных работ на железорудных месторождениях Урала, склонных к горным ударам», используются проектным институтом «Уралгипроруда» и производственными предприятиями ПГО «Уралруда», Горного Управления ГУ НТМК и треста «Воетокшахтопроходка». По результатам исследований Высокогорское, Лебяжинское и Валуевское месторождениями отнесены к угрожаемым по горным ударам.

Апробация работы. Основное содержание диссертации и отдельные ее положения докладывались на Всесоюзных координационных совещаниях по проблеме горных ударов (г.Ленинград, 1977 г., г. Фрунзе, 1978 г., г. Североуральск, 1979 г.), Всесоюзном семинаре по научным основам прогноза и предотвращения горных ударов (г.Североуральск, 1981 г.), Всесоюзных конференциях по механике горных пород (г.Ленинград, 1970 г., г. Фрунзе, 1978 г.), на научном симпозиуме «Отражение современных полей напряжений и свойств пород g состоянии скальных массивов» (г.Апатиты, 1977 г.)-, Всесоюзном техническом совещании по сдвижению горных пород и горному давлению при подземной разработке месторождений руд цветных металлов (г.Свердловск, 1974 г.), семинарах по измерению напряжений в массиве (г.Новосибирск, 1971, 1973, 1977 гг.), на технических советах управления Свердловского округа Госгортехнадзора СССР (1981, 1984 гг.), Горного Управления НЖ (г.Н-Тагил, 1978, 1983 гг.), института «Уралгип-роруда» (г.Свердловск, 1980, 1983 гг.), рудоуправлений: Высокогорского (г.Н-Тагил, 1977, 1983 гг.), Богословского (г. Красно-турьинск, 1977, 1980.гг.), Гороблагодатского (г. Кушва, 1977 г.) и на заседаниях Ученого Совета ИГД МЧМ СССР (1977;1983 гг.).'.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ и получено три авторских свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 16 таблиц, список использованных источников из 121 наименования и приложения.

205 Выводы.

1. Проверка методики расчетного прогноза удароопасности выработок на уральских железорудных месторождениях, угрожаемых по горным ударам и удароопасном Таштагольском руднике, подтвердила правильность основных ее положений.

2. Расчетный прогноз удароопасности выработок использован при прогнозировании динамических явлений на подготавливаемых к отработке нижележащих горизонтах Высокогорского, Лебяжинского и Валуевского месторождений. По результатам расчетного прогноза установлена необходимость отнесения этих месторождений с глубин соответственно 590, 590 и 335 м к угрожаемым по горным ударам.

3. На основе методики расчетного прогноза удароопасности разработаны и введены в действие «Указания по безопасному ведению горных работ на железорудных месторождениях Урала, склонных к горным ударам», разработаны и внедрены в проект и в производство рекомендации по предупреждению удароопасности выработок при отработке железорудных месторождений Урала.

4. Создание методики расчетного прогноза и разработка на его основе нормативных документов и рекомендаций по предупреждению удароопасности имеет большое социальное значение. Кроме того, своевременное предупреждение удароопасности позволит избежать снижения годовой добычи, что даст по Уралу экономический эффект в размере 210 тыс. руб/год. чаны зависимости для определения удароопасности интервалов при проведении выработок через нарушения, контакты пород и дайки с учетом их параметров и размеров поперечного сечения выработок. Разработана безопасная технология проведения выработок по ударо-опасным участкам.

3. В механизме хрупкого разрушения в виде стреляния пород с контура выработки выявлено влияние неровностей контура на величину действующих на нем напряжений и обоснована величина относительной напряженности пород у контура при возникновении хрупкого разрушения, определена роль остаточных напряжений в механизме явления, получены зависимости, позволяющие оценить скорость полета пластин при стрелянии и длину опасного по стрелянию интервала выработки при ее проходке.

4. На основе методики расчетного прогноза полученышалитичес-кие зависимости для определения критической глубины удароопасности в выработках на стадии проектирования с учетом основных горно-геологических и горно-технических факторов: закономерностей изменения первоначального напряженного состояния пород с глубинойих прочностных и упругих свойствсоотношения поперечных размеров проектируемых выработокналичия нарушений, контактов разномодульных пород и даекгеометрических размеров вынимаемого рудного тела (горизонтальной мощности, длины по простиранию) и глубины его залеганиястепени заполнения выработанного пространства обрушенными породами.

5. В связи с методикой расчетного прогноза удароопасности разработана классификация мероприятий по предупреждению горных ударов на рудниках, которая призвана облегчить выбор мер предуп- ,.

206 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Безопасность и эффективность добычи полезных ископаемых подземным способом невозможна без надлежащего обеспечения прочности и надежности конструктивных элементов систем разработки и, в первую очередь, горных выработок. С увеличением глубины разработки и ростом напряженного состояния массива горных пород, когда его краевые части разрушаются хрупко в виде горных ударов, обеспечение устойчивости выработок становится особенно актуальным. В этом смысле особо важное значение приобретает разработка инженерного метода расчета напряжений, позволяющего на стадии проектирования отработки оценить величину напряжений в выработках, сравнить их с прочностью пород и определить таким образом, степень удароопасности выработок и на этой основе предусмотреть те или иные меры предупреждения горных ударов.

С этой точки зрения научное и фактическое значение диссертационной работы можно охарактеризовать следующими положениями:

1. Впервые для условий уральских железорудных месторождений с крепкими горными породами создана методика расчетного прогноза удароопасности выработок на стадии проектирования отработки новых участков или горизонтов с учетом фактических свойств пород, их первоначального напряженного состояния и закономерностей его изменения при проведении выработок и ведении ошстных работ.

2. Изучено и учтено влияние основных горно-геологических (характер напряженного состояния, нарушения, контакты пород, дайки) и горно-технических (глубина ведения работ, мощность рудного тела или ширина выемки, длина выработанного пространства по простиранию, степень заполнения его обрушенными породами) факторов на распределение напряжений и удароопасность горных выработок. Полу— 1.

208 реждения горных ударов при проектировании отработки залежей в удароопасных условиях.

6. Установлены зависимости для выбора необходимой глубины разгрузочных щелей в типовых выработках в зависимости от категории удароопасности, характера напряженного состояния пород и поперечного размера выработки.

7. Предложен способ проходки буровзрывным методом горной выработки четырехугольного сечения в массиве горных пород, опасном по динамическим явлениям (а.с. 806 878), где каждая сторона выработки защищена проводимыми в ее углах щелями, глубина которых принимается в соответствии с размерами сторон выработки и соотношения действующих в массиве максимальных напряжений и прочности пород.

8. На основе расчетного прогноза удароопасности выработок установлена допустимая безопасная длина уходки в зависимости от размеров поперечного сечения выработки, действующих в массиве напряжений и прочности пород.

9. Основные положения методики расчетного прогноза удароопасности проверены в условиях уральских железорудных месторождений, угрожаемым по горным ударам и на удароопасном Таштагольском руднике, и доказана их достоверность.

10. Проведен расчетный прогноз удароопасности выработок подготавливаемых к очистной выемке нижележащих горизонтов Высокогорского, Лебяжинского и Валуевского месторождений на основе измерения первоначального напряженного состояния массива пород, определения их свойств и учета геометрических параметров будущих выработок и выработанных пространств.

По результатам расчетного прогноза установлена необходимость отнесения Высокогорского, Лебяжинского и Валуевского месторождений при разработке с глубин соответственно 590, 590 и 335 м к угрожаемым по горным ударам.

11. Разработаны и введены в действие «Указания по безопасному ведению горных работ на железорудных месторождениях Урала, склонных к горным ударам», составленные с учетом результатов исследований автора, куда, в частности, вошли расчетный прогноз удароопасности выработок, технологические схемы проведения выработок через нарушения, контакты пород и дайки, выбор глубины разгрузочных щелей и другие разработки.

12. Разработаны и внедрены в проект и в производство рекомендации по предупреждению удароопасности выработок при отработке уральских железорудных месторождений.

13. Разработка нормативных документов и рекомендаций по предупреждению удароопасности, направленных на обеспечение безопасности работ, имеет большое социальное значение. Кроме того, своевременное предупреждение горных ударов позволит избежать незапланированного снижения добычи железной руды по Уралу и получить экономический эффект в размере 21 тыс. руб. на I млн. т добычи ежегодно. й.