21858

Взаимосвязь геомеханических процессов в массивах пород с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива

Лекция

География, геология и геодезия

Взаимосвязь геомеханических процессов в массивах пород с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива. Анализ современных подходов к вопросам проблемы Управление состоянием массива пород и перспективные направления её решения с целью повышения эффективности и безопасности подземных горных работ и сокращения вредных воздействий на окружающую среду. При этом освещаются основы этой науки науки о прочности устойчивости и деформируемости массивов горных пород горнотехнических объектов и сооружений в поле...

Русский

2013-08-04

132.5 KB

24 чел.

24

Тема 1. Введение. 4 часа.

Содержание курса и его связь со смежными дисциплинами. Основные понятия и определения. Взаимосвязь геомеханических процессов в массивах пород с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива. Анализ современных подходов к вопросам проблемы «Управление состоянием массива пород» и перспективные направления её решения с целью повышения эффективности и безопасности подземных горных работ и сокращения вредных воздействий на окружающую среду.

1.1. Содержание курса и его связь со смежными дисциплинами. Основные понятия и определения.

В рамках государственного стандарта на 3-м курсе студентам горных специальностей читается курс лекций «Геомеханика». При этом освещаются основы этой науки - науки о прочности, устойчивости и деформируемости массивов горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и техногенных сил, т.е. сил, вызванных влиянием деятельности человека, в частности, горных работ.

Основные процессы, изучаемые геомеханикой (точнее их можно назвать «геомеханическими»), можно подразделить на три большие группы:

- формирование напряжённо-деформированного состояния массивов пород и его изменение в связи с проведением выработок;

- динамические процессы и явления в массивах горных пород;

- сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах.

Непосредственно с указанными процессами связаны самостоятельные научные направления, а также основные задачи, которые необходимо при этом решать в рамках геомеханики.

В частности, общим для всех групп процессов является научное направление исследования свойств пород и массивов во всём разнообразии возможных силовых воздействий, и здесь может быть выделен целый ряд научных и практических задач. Важнейшими из них являются разработка унифицированных методик и создание оборудования для определения свойств пород и массивов, создание классификаций и паспортизация пород по их свойствам.

Для первой группы процессов важнейшее значение имеет научное направление, связанное с методами определений параметров полей напряжений в массиве пород и оценкой их изменений под влиянием различных факторов и условий. Непосредственную связь с этими вопросами имеют практические задачи оценки устойчивости пород в обнажениях, определения параметров предельных обнажений и обоснования вида мероприятий по обеспечению безопасных условий проведения горных работ или эксплуатации подземных сооружений. К числу подобных мероприятий можно отнести выбор вида и параметров крепи, размеров очистных камер и целиков, обоснование порядка отработки отдельных участков месторождений и др.

Со второй группой - динамическими процессами - связаны такие грозные явления как динамические проявления горного давления - горные удары, выбросы газа и пыли, техногенные землетрясения. Основными научными направлениями при этом будут разработки теоретических представлений о механизме подобных явлений, а главными практическими задачами являются выбор и обоснование мероприятий по предотвращению их при проведении горных работ.

С процессами сдвижения пород при проведении горных работ – третьей группой процессов - связано научное направление разработки общей теории сдвижения горных пород, а также ряд практических задач по обоснованию мероприятий, предотвращающих или снижающих до безопасных пределов влияние горных работ на состояние массива пород и дневную поверхность, а также на инженерные сооружения и др. объекты, определение параметров охранных целиков, параметров закладки, шага обрушения и т.д.

Главной инженерной задачей геомеханики является научное обоснование и разработка способов управления механическими процессами в породных массивах для обеспечения безопасности горных работ и повышения производительности и надёжности технологических процессов.

В соответствии с этим данный курс «Управление состоянием массива горных пород» по своей сути является практическим приложением к курсу «Геомеханика» и направлен, прежде всего, на ознакомление студентов с подходами и методами решения практических задач геомеханики, с которыми сталкиваются горняки в своей повседневной деятельности.

При этом под управлением состояния массива горных пород, прежде всего, будем понимать управление геомеханическими процессами в массиве, т.е. целенаправленное регулирование характера и параметров геомеханических процессов с целью повышения безопасности горных работ и их эффективности. Регулируя развитие геомеханических процессов в массиве пород, стремятся достичь такого положения, чтобы процессы развивались в желательном безопасном направлении и их параметры находились в пределах заранее установленных безопасных величин. Наибольшие трудности возникают при разработке методов управления состоянием массива пород, непосредственно окружающего очистные выработки.

Но прежде, чем переходить к рассмотрению общей структуры и содержания отдельных тем курса, необходимо вспомнить некоторые общие положения геомеханики.

В соответствии с приведенным выше определением геомеханики, основным объектом исследований в геомеханике является породный массив, а точнее, механические процессы, происходящие в массиве и связанные, главным образом, с проведением в нём горных выработок.

В отличие от других смежных разделов механики, например, строительной механики, геомеханика весьма специфична, что обусловлено, в первую очередь, особенностями массивов горных пород. Массивы горных пород образуют особые физические среды, состояние которых определяется тремя составляющими - свойствами горных пород, слагающих их; структурными особенностями и естественным напряженным состоянием.

Поскольку для всех указанных составляющих степень неоднородности достаточно высока, то в целом и для массивов неоднородность существенно выше, чем для любых других искусственных или даже естественных материалов.

Эта существенная неоднородность массивов определяет чрезвычайно широкую изменчивость характеристик пород и заставляет применять специфические приёмы к изучению свойств и закономерностей их изменения в зависимости от рассматриваемых объёмов, режимов силовых воздействий, времени воздействия и т.д.

При такой специфике первым непременным этапом, иногда весьма продолжительным по времени, является непосредственное определение свойств пород при различных условиях. Затем по мере накопления результатов испытаний конкретных пород и в конкретных условиях наступает следующий этап - этап обобщений и здесь весьма актуальной становится задача систематизации горных пород по свойствам с тем, чтобы в дальнейшем, уже без проведения специальных исследований, было возможно прогнозировать те или иные процессы и явления. Систематизация горных пород по свойствам носит название классификации.

Рассмотренный подход к изучению свойств горных пород весьма характерен и практически без изменений применим и к другим вопросам геомеханики - исследованию напряжённо-деформированного состояния, разработке теории динамических проявлений горного давления, вопросам сдвижения горных пород и др.

Вместе с тем в геомеханике первостепенное значение имеет анализ характера и форм проявления механических процессов в различных горно-геологических условиях ведения горных работ. При этом особую важность приобретают натурные наблюдения и инструментальные методы измерений с целью определения основных параметров изучаемых процессов в конкретных условиях: напряжений, деформаций, сдвижений горных пород и их изменения в зависимости от основных действующих факторов. Данные, получаемые из натурных исследований, позволяют типизировать изучаемые явления и процессы, уяснять их общий механизм и физическую сущность и проводить дальнейшие теоретические обобщения, устанавливать допустимую степень схематизации задач.

Учитывая весьма высокую неоднородность массивов горных пород и разнообразие горно-геологических условий, которые достаточно сложно описывать строгими математическими закономерностями для геомеханики в большей степени, чем для других разделов механики, характерно широкое использование методов моделирования, позволяющих выявить и оценить в исследуемых процессах роль различных действующих факторов и получить значения необходимых параметров даже при невозможности строгого решения задач аналитическими методами.

Вместе с тем всё большое применение в геомеханике находят и аналитические методы, что объясняется, в первую очередь, их развитием, а также общим прогрессом в понимании явлений геомеханики и степени воздействия отдельных факторов. При этом очень часто используют комплексные подходы, когда в качестве граничных условий при постановке аналитических задач используются результаты натурных наблюдений и моделирования.

Вообще в геомеханике при такой высокой степени неопределённости исходных данных и начальных условий зачастую нецелесообразно ставить задачи с целью получения точных решений. Более существенно иметь результаты, отражающие главные принципиальные зависимости и которые потому лишь с определённой степенью приближения и с некоторой вероятностью соответствуют наблюдаемым явлениям.

Речь идёт о предрасчёте основных параметров каких-либо процессов с весьма невысокой точностью, но вполне удовлетворяющей практику или даже о получении чисто качественных результатов - например, о прогнозировании форм и характера проявления процессов геомеханики в тех или иных конкретных условиях, их изменении во времени и в пространстве, об определении оптимальных условий ведения горных работ.

Всё сказанное позволяет сформулировать общую методологию геомеханики:

общая методология геомеханики состоит в широком использовании и анализе натурных наблюдений и измерений с одновременным привлечением методов и приёмов моделирования и аналитических исследований на базе теоретических положений из основных разделов современной механики, других математических и физических наук.

Поскольку курс «Управление состоянием массива горных пород» является логическим продолжением курса «Геомеханика», всё сказанное, естественно, в полной мере относится и к нему, при этом все понятия, определения и закономерности геомеханики целиком сохраняют свою справедливость.

Необходимость постановки специального курса «Управление состоянием массива горных пород» при подготовке специалистов горного дела вызвана, главным образом, тем, что в своей практической деятельности горнякам приходится повсеместно сталкиваться с проблемами преодоления негативных следствий развития геомеханических процессов в массиве пород.

К настоящему времени накоплен огромный положительный опыт управления геомеханическими процессами, т.е. целенаправленного изменения их развития в массивах пород при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве. Вместе с тем имеется много примеров и неудачных попыток управления состоянием массива пород, что приводит к разрушению горных выработок, катастрофическим прорывам подземных вод и грунтовых масс, образованию провалов на земной поверхности, горным ударам, техногенным землетрясения и др. негативным последствиям. Это объясняется как недостаточными представлениями о сути происходящих явлений в массиве пород (т.е. недостаточным уровнем развития геомеханики как науки), так и отсутствием к данному моменту необходимых технологических решений, применимых для эффективной реализации тех или иных предложений по управлению геомеханическими процессами.

Управление геомеханическим процессами, а, в конечном счёте, и состоянием массива пород необходимо осуществлять на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых или подземного строительства.

На стадии составления проекта разработки месторождения или строительства подземных сооружений это проявляется в виде выбора системы разработки, определения  параметров отдельных элементов систем, установления рационального порядка отработки месторождения, определения оптимального расположения и ориентации выработок в пространстве, обоснования мероприятий по их поддержанию, обоснованию общей организации горных и горностроительных работ, обоснования системы контроля состояния массива (геомониторинга), а также оценки изменения экологической обстановки в районах разработки месторождений полезных ископаемых и строительства подземных объектов различного назначения..

На стадии эксплуатации горных предприятий или подземных сооружений это проявляется в виде корректировки положений проекта по результатам уточнённой информации о реальных свойствах и состоянии массива пород, а также оперативной разработки и реализации необходимых мероприятий по предотвращению негативных последствий разработки месторождений или подземного строительства.

На стадии ликвидации горных предприятий или вывода из эксплуатации подземных сооружений – в виде прогноза развития геомеханических процессов после окончания горных работ, обоснования предложений по использованию высвобождающегося подземного пространства в народном хозяйстве, а также для оценки степени реабилитации эксплуатировавшихся территорий и массивов пород.

1.2. Взаимосвязь геомеханических процессов с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива.

Комплексное освоение недр (разработка месторождений полезных ископаемых и подземное строительство) вызывает изменение геомеханического состояния массива горных пород и развитие в нём геомеханических процессов, т.е. процессов деформирования и разрушения горных пород. Эти процессы зачастую приводят к крайне негативным последствиям.

Несколько примеров.

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом наиболее распространёнными негативными последствиями развития геомеханических процессов являются деформации уступов, бортов и отвалов.

Так на предприятиях АО «Востсибуголь» деформации внутренних отвалов одного из разрезов привели к авариям и неоднократным остановкам участка капитальной вскрывающей траншеи и ощутимому ухудшению показателей производства. Значительные деформации нерабочих бортов на других разрезах в разное время и на различные сроки полностью парализовали горные работы. Аналогичная ситуация наблюдалась и на угольных разрезах АО «Сахалин уголь», АО «Челябинскуголь», в Кузбассе.

Деформации рабочего борта на карьере «Медвежий ручей» АО «Норильский никель» поставили вопрос о целесообразности дальнейшего существования этого карьера.

К наиболее характерным примерам подобных явлений в условиях горно-рудных предприятий Мурманской области можно отнести обрушение групп уступов в пределах коренных пород в Оленегорском карьере ОАО “Олкон” и в карьере рудника “Железный” ОАО “Ковдорский ГОК», а также оползни в пределах толщи моренных отложений на Коашвинском карьере Восточного рудника ОАО “Апатит”.

Таблица из материалов Рыбина.

Детальный анализ причин возникновения перечисленных случаев показывает, что основной причиной указанных нарушений является неадекватность принятых технических решений конкретным горно-геологическим условиям. В частности, причина потери устойчивости группами уступов на Оленегорском и Ковдорском карьерах – подрезка неблагоприятно ориентированных поверхностей структурных неоднородностей в массиве горных пород или расположение уступов в пределах ослабленных участков, сложенных дезинтегрированными породами. Причина оползня в пределах моренных отложений на Коашвинском карьере – подмыв подземными водами и увеличенный по сравнению с проектным угол откоса уступа, а также динамические воздействия на массив пород технологических взрывов.

Аналогичная ситуация наблюдается и на зарубежных горных предприятиях.

Одним из примеров оползней и обрушений больших объёмов может служить оползень на рабочем борту угольного разреза Трояново II (Народная республика Болгария), происшедший в январе 1966 года. Оползень охватил все вскрышные и угольные уступы. Объём оползшей массы составил около 16 млн. м3, из них около 6.6 млн. м3 – угля. На момент возникновения оползня глубина карьера составляла 56 м, а угол наклона борта -70. Борт карьера был сложен третичными глинами, покрывающими угольный пласт, подугольная толща представлена слабыми пластичными глинами. В 1969 году на этом карьере опять возник оползень объёмом около 50 млн. м3.

Основными факторами, обусловившими возникновение этих оползней, явились:

  •  наличие в подугольных отложениях пластичных глин, склонных к набуханию;
  •  наличие напорных вод в подугольной толще пород;
  •  наличие поверхностей древних оползней, приуроченных к долине близлежащей реки.

Причиной оползневых явлений на угольных разрезах Китая и Вьетнама явились проектные решения, не подтверждённые геомеханическими расчётами, игнорирующие при определении параметров бортов реальное сложное структурное строение и гидрогеологические условия в прибортовом массиве горных пород.

В ряде случаев оползневые процессы на поверхности активизируются подземными горными работами. Подобная ситуация наблюдалась на территории г. Осинники в зоне влияния шахты «Капитальная» в Кузбассе, на объектах Копейского машиностроительного завода в зоне влияния шахты «Центральная» в Челябинском бассейне.

Традиционные методы охраны объектов от вредных влияний горных работ в современных условиях (при высокой плотности застройки, больших глубинах разработки и др.) всё чаще становятся неэффективными или вовсе неприемлемыми. В то же время подработка зданий и сооружений без надёжных мер защиты приводит к их повреждениям, а иногда и к разрушениям, выходу из строя промышленных предприятий, жилых зданий и подземных коммуникаций. Особенно опасны последствия недостаточно обоснованной подработки природных объектов, в частности, водных объектов. Очень часто нарушение естественного состояния даже незначительного по своим размерам водного объекта может весьма неблагоприятно отразиться на состоянии окружающей среды всего горнопромышленного района.

Значительный ущерб народному хозяйству наносят горные работы в связи с образованием провалов на земной поверхности при разработке свит крутопадающих угольных пластов (Прокопьевско-Киселёвский район Кузбасса) и при разработке пластов на небольшой глубине (территории полей шахт Подмосковного угольного бассейна).

Влияние горных работ также часто вызывает изменение гидродинамического режима подземных и грунтовых вод, что может привести к деформированию поверхности и затоплению или заболачиванию отдельных территорий. Такие явления наблюдались в районах шахт Челябинского бассейна, в Карагандинском бассейне был подтоплен посёлок Михайловка.

При разработке соляных месторождений недостаточный учёт горно-геологических факторов приводит к разрушению целиков, образованию провалов и затоплению рудников. Так в 1979 г. был затоплен Соль-Илецкий рудник №1, в 1986 г. Березниковский рудник №3.

Как при строительстве шахт, так и при добыче угля работы по креплению горных выработок являются одними из наиболее трудоёмких и требуют значительных материальных и временных затрат. В общей стоимости и трудоёмкости проведения горных выработок, стоимость крепей и затраты на их возведение составляют 30-60%. По данным производственных объединений доля затрат на крепление и поддержание горных выработок составляет от 7 до 15% от общей себестоимости добычи угля, а её снижение за счёт оптимизации конструкций применяемых крепей является весьма актуальной проблемой угольной промышленности в России.

Весьма часто приходится сталкиваться с негативными последствиями геомеханических процессов при строительстве и эксплуатации подземных сооружений различного назначения.

Так аварийные ситуации неоднократно возникали при строительстве тоннелей на БАМе. В частности, при проходке двухпутных тоннелей в сильнотрещиноватых скальных породах буровзрывным способом были зафиксированы значительные вывалы пород (с высотой купола до 6 м) в забое. В дальнейшем, во избежание этих явлений работы велись с применением опережающих экранов из труб. Проходка Северомуйского тоннеля в сложной тектонической и гидрогеологической обстановке сопровождалась рядом прорывов подземных вод и выносом дезинтегрированных масс со скоростью до нескольких тысяч кубических метров в час.

Отдельные аварии, связанные с разрушением пород и крепи, имели место при проходке Лысогорского железнодорожного тоннеля на линии Краснодар-Туапсе, Дилижанского железнодорожного тоннеля, перегонных тоннелей Санкт-Петербургского, Минского и Днепропетровского метрополитена, при сооружении котлованов станций мелкого заложения метрополитенов в Нижнем Новгороде и Екатеринбурге.

Весьма значительный ущерб и высокая степень травматизма наблюдается при выполнении горных работ в условиях динамических проявлений горного давления – горных ударов, техногенных землетрясений и внезапных выбросов угля, пород и газа.

В табл. 1.1 приведены характеристики наиболее сильных динамических проявлений горного давления - техногенных землетрясений, произошедших на рудниках России в последние 20 лет.

Характеристики последних, наиболее сильных, техногенных землетрясений

на рудниках России

Таблица 1.1.

№№

п/п

Магнитуда до землетря-сения

(MSK-64)

Балль-ность в эпицентре

Рудник, месторождение,

Дата сильней-шего толчка

Энергия,

Дж

Последствия в руднике

1

4.0-4.4

8

Рудник “Умбозеро”, Ловозерское м-е, Кольский п-ов

17.08.1999

-

Площадь разрушенных выработок 600-650 тыс. м2

2

~3.5-4.0

5-6

Шахта “Курбазак-ская”, ЮУБР

28.05.1990

1010-1011

Площадь разрушения выработок 450 тыс. м2

3

3.4-3.6 

5-6

ОАО “Апатит”, Кировский р-к,

Кольский п-ов

16.04.1989

-

Разрушения крепи, поднятия и смещения рельсового пути, выбросы пород до 2 м3 на 3-х гор.

4

3.5-3.8

5-6

Верхнекамское месторождение калийных солей, г. Соликамск

5.01.1995

-

Обрушения кровли в выработанном прост-ранстве 300 тыс. м2, мульда на поверх-ности 650850 м

5

2.2-2.6

-

Рудник “Умбозе-ро” ОАО “Севред-мет”, Ловозерское м-е Кольский п-ов

3-9.11.91.

109

Разрушения в очист-ных выработках на площади 80 тыс. м2

6

~2.5

Рудник “Ташта-гол”, Таштаголь-ское м-е

31.08.1992

2.5108

Общая площадь раз-рушения выработок 420 м2

7

~2.5

Шахта 15-15 бис, СУБР.

5.10.1984.

3.9108

Выброс 40 м3 породы, нарушено 740 м выработок

Как следует из данных табл. 1.1, 17 августа 1999 г. в массиве рудника “Умбозеро” ОАО “Севредмет” произошло техногенное землетрясение, которое по энергетическим характеристикам и по последствиям в подземных выработках, является наиболее мощным из всех происходивших на российских рудниках.

Эпицентр землетрясения находился непосредственно на территории шахтного поля, землетрясение было зарегистрировано многими сейсмостанциями мира: Аляска (США), АРКЕСС (Норвегия), Шпицберген, Амдерма, Апатиты (Россия) и другими. Магнитуда землетрясения, по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН (г. Апатиты) и других сейсмостанций составила М=4.0-4.4. Интенсивность колебаний в эпицентре достигала 8 баллов (по 12-бальной шкале), в ближайшем п. Ревда (12 км) – 5-6 баллов. В таблице обозначена энергия только одного, наиболее мощного, толчка. На самом деле, во время землетрясения 17.08.1999 г. на руднике “Умбозеро”, в течение суток произошло еще 13 толчков с магнитудой М=1.2-2.7 (афтершоки) после главного толчка и множество других, более мелких динамических событий. Характерно, что перед землетрясением 17.08.1999 г. отмечалась форшоковая активность в этом районе, в течение 8.5 месяцев зафиксировано более 10 сейсмических событий с магнитудой от 1.5 до 2.7.

Сейсмическая активность в массиве рудника “Умбозеро” в течение месяца после катастрофы постепенно затухала и в настоящее время проявляется в фоновом режиме.

Главный толчок произошел во время спуска 2-й смены. Люди были выведены на поверхность, жертв не было. После главного толчка и серии последующих были разрушены горные выработки, перебиты энергетические коммуникации, вследствие чего прервалось энергоснабжение; рудник был полностью остановлен и выведен из строя на 3.5 месяца.

Прямые убытки рудника составляют свыше 200 млн. руб. До сих пор рудник продолжает восстановительные работы и вышел только на часть своей производительности.

Все приведенные примеры свидетельствуют о том, что природа геомеханических процессов в массивах пород, их характер развития и возможные последствия, не смотря на многолетнюю историю исследования, ещё не полностью выяснена. Однако основные закономерности и влияющие факторы к настоящему времени достаточно хорошо известны.

Вообще все геомеханические проявления, как статические, так и динамические, можно рассматривать как результат взаимодействия внешних природных и техногенных воздействий, с одной стороны, и реакции массива пород на эти воздействия, с другой. При таком подходе под природными и техногенными воздействиями следует понимать весь полный спектр воздействий на массив, включая все возможные внешние воздействия в течение всего периода «жизни» сооружений или предприятий, от строительства и эксплуатации до вывода из эксплуатации и его ликвидации. По своему характеру эти природные и техногенные воздействия могут быть самыми разнообразными, как динамические, импульсные, так и статические, а также весьма длительного действия. Большей частью в реальных условиях все эти воздействия проявляются в самых разнообразных сочетаниях и действуют одновременно. Конкретные значения природных воздействий определяются всем комплексом условий размещения объектов на конкретной территории (физико-географическими, климатическими, тектоническими и др.), а техногенных воздействий - применяемыми системами разработки, общей технологией проведения горных работ, используемым оборудованием, порядком ведения работ и их организацией. В рамках данного курса основное внимание будет уделено рассмотрению техногенных воздействий, связанных непосредственно с проведением горных работ, т.е. с применяемыми системами разработки месторождений полезных ископаемых.

На указанные природные и техногенные воздействия массив пород откликается сообразно своему состоянию, которое, в свою очередь, как уже указывалось, обусловливается, главным образом, свойствами слагающих пород, структурными особенностями и естественным напряжённым состоянием. Во многих случаях дополнительно к перечисленным основным фактором, определяющим состояние массива пород, необходимо рассматривать и учитывать фактор изменения естественного гидрогеологического режима массива.

1.3. Анализ современных подходов к вопросам проблемы «Управление состоянием массива пород» и перспективные направления её решения с целью повышения эффективности и безопасности подземных горных работ и сокращения вредных воздействий на окружающую среду.

Природа геомеханических процессов, протекающих в массивах пород при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве, достаточно давно изучается в нашей стране и за рубежом, и к настоящему времени получены существенные результаты, позволяющие говорить о принципиальных механизмах и параметрах геомеханических явлений, происходящих в массиве пород. Также накоплен огромный опыт проведения горных работ в самых разнообразных горно-геологических условиях. В результате полученных данных было разработано большое количество различных нормативных документов, как имеющих статус государственных документов, так и различного ведомственного уровня. Использование этих документов позволяют реально решать вопросы регулирования состояния массива пород.

В настоящее время в капитальных горных выработках применяются, как правило, крепи одного типа на всём их протяжении, независимо от изменяющихся по длине выработок горно-геологических условий. В результате на одних участках выработки крепь имеет излишнюю несущую способность, а на других – недостаточную. При этом резко повышаются затраты на ремонт и перекрепление выработок. Так на шахтах СНГ годовой объём ремонта и перекрепления капитальных и подготовительных выработок составляет до 35% от общей протяжённости.

Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору конструкций крепей выработок угольных шахт (СНиП-II-80 и др.) в принципе предусматривают дифференцированный подход к применению различных конструкций крепей для отдельных участков выработки, имеющих отклонения показателей прочностных свойств вмещающих пород более, чем на 20%. Однако на практике это положение реализуется крайне редко по двум причинам: во-первых – вследствие недостаточности точной информации о свойствах окружающего массива, а, следовательно, о характере геодинамических процессов в окружающем массиве, и, во-вторых, из-за нетехнологичности перехода от одного типа крепи к другому.

Отсюда перспективными направлениями в решении проблемы управления состоянием массива пород при проведении горных выработок являются как совершенствование методов получения информации о состоянии массива окружающих пород, так и разработка видов и конструкций крепей, которые могут гибко приспосабливаться к изменяющимся условиям. Примерами таких крепей являются комплексные крепи – анкерные (штанговые) крепи в сочетании с набрызг-бетонным покрытием, которые находят всё большее применение в самых разнообразных горно-геологических условиях.

К числу документов, направленных на решение вопросов управления состоянием массива пород, в частности, относятся «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок в Донецком угольном бассейне», разработанные и утверждённые в установленном порядке в 1960 году. При составлении «Правил…» был использован весь материал, накопленный к моменту их издания непосредственно по данным натурных наблюдений и практического опыта выемки угля под различными сооружениями. Аналогичные документы были составлены в этот же период и для других бассейнов и месторождений.

Опыт практического использования этих документов показал, что нормы, способы и принципы, заложенные в бассейновых правилах, в основном себя оправдали и их можно положить в основу при составлении «Правил», единых для всех бассейнов. Подобный документ был составлен, и в 1979 году были утверждены «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях».

При этом основными методами защиты объектов от вредного влияния горных разработок в этих «Правилах…», как и в предыдущих документах, оставались предохранительные целики различного назначения. Однако, по мере оснащения добычных участков мощной высокопроизводительной техникой, становилось всё более очевидным, что эти методы теряют свою эффективность, т.к. монтажные и демонтажные операции тяжёлого шахтного оборудования в стеснённых подземных условиях, связанные с переходом очистных забоев через целики, требует больших затрат, надолго нарушают ритм работы горнодобывающего предприятия и всегда ведут к резкому повышению себестоимости добытого сырья.

Вследствие этого в конце 70-80 годов всё большая роль стала отводиться подходам, в основе которых лежали методы приспособления зданий и сооружений на подрабатываемых территориях к выдерживанию некоторых, ограниченных по величине деформаций оснований. Возникло новое направление, заключающееся в усилении конструкций зданий или, наоборот, придании им необходимой гибкости и податливости. В свою очередь, это потребовало интенсификации изучения закономерностей развития геомеханических процессов в массивах пород, окружающих очистные выработки, и установления факторов, определяющих эти процессы.

В результате были установлены эмпирические зависимости величин деформаций горных пород и земной поверхности от основных влияющих факторов. Полученные эмпирические зависимости имели ограниченную область применения, только в тех условиях, где производились инструментальные наблюдения.

Для отдельных наиболее изученных регионов, были произведены теоретические обобщения и разработаны полуэмпирические методы расчёта, позволяющие прогнозировать ожидаемые величины сдвижений и деформаций.

В этот же период начались первые попытки непосредственного воздействия на геомеханические процессы, происходящие в толще пород под влиянием горных работ. Наиболее успешными из них оказались известные ранее и усовершенствованные методы закладки выработанного пространства, а также новые методы, основанные на взаимной компенсации деформаций разных знаков, получивших название гармонической отработки пластов.

Методы закладки были успешно внедрены на рудниках Норильского горнометаллургического комбината и дали значительный экономический эффект. Однако этот метод является дорогим, его применение ограничивается условиями выемки только весьма ценных полезных ископаемых.

Методы гармонической отработки пластов оказались более перспективными, но для их применения потребовались углублённые знания о закономерностях развития деформационных процессов в массиве пород не только в пространстве, но и во времени. Начались интенсивные исследования динамики деформационных процессов, результаты которых были обобщены в работе «Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых». М, ИПКОН,1984.

В результате исследований геомеханических процессов при открытой разработке месторождений установлено, что устойчивость бортов карьеров и отвалов определяется многочисленными природными и горнотехническими факторами. Среди природных факторов выделены и детально исследованы геологические, гидрогеологические и климатические факторы. При этом впервые в отечественной и зарубежной горной и геолого-разведочной практике были научно обоснованы требования к изученности инженерно-геологических условий месторождений, подлежащих разработке открытым способом, которые позволили:

  •  оптимизировать количество разведочных скважин для изучения различных инженерно-геологических комплексов пород и снизить стоимость инженерно-геологических изысканий;
  •  повысить надёжность исходной информации о составе, строении и свойствах горных пород, необходимой для расчётов оценки устойчивости бортов разрезов и карьеров.

На основе результатов этих исследований разработано и, по решению ГКЗ СССР в 1965 году издано «Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий месторождений, подлежащих разработке открытым способом». Кроме того, разработана и  в 1971 году утверждена Госгортехнадзором СССР «Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости».

Рекомендуемые методы и порядок расчёта устойчивости бортов карьеров изложены в работе «Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров (ВНИМИ; составители: Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожников, А.М. Мочалов, В.И. Пушкарев, Ю.С. Козлов. – Л., изд. ВНИМИ, 1972, – 165 с.) Эта работа и в настоящее время широко используется в нашей стране и за рубежом.

Вместе с тем указанные нормативные документы и принятые методы оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров были разработаны в основном для относительно неглубоких карьеров в условиях массивов, представленными рыхлыми или непрочными осадочными породами. Распространение этих методов на скальные породы сопровождается значительным запасом в расчётах конструкций бортов и уступов, поскольку при этом не учитываются специфические особенности скальных массивов.

Практика ведения горных работ в скальных массивах показывает, что устойчивость откосов, достигающих по высоте десятков и даже сотен метров, сохраняется в течение многих лет даже при крутых, вплоть до вертикальных, углах.

За рубежом при ведении открытых горных работ в высокопрочных скальных массивах уже давно используются достаточно крутые углы наклона бортов карьеров. Можно привести примеры: карьер Flintkote Mine (Канада), борт которого отстроен в гранитах под углом 70; Cleveland Cliffs (США), борт которого при высоте 120 м отстроен под углом 80; Westfrob Mine (Канада) глубиной 244 м с общим углом наклона борта 55; Palabora (ЮАР), на котором реализованы генеральные углы откосов бортов до 58 с использованием вертикальных откосов уступов высотой 30 м; Sandsloot (ЮАР) с бортами высотой 300 м и углом наклона 58; Aitik (Швеция), на котором, несмотря на достаточно сложные горно-геологические условия массива, угол откоса борта достигает 51; Panda (Канада) имеет общий угол наклона бортов 50 при их высоте 315 м.

В отечественной практике ведения открытых горных работ также есть примеры строительства достаточно крутых бортов карьеров. Так, на карьере «Айхал» (Якутия) углы откосов бортов в глубокой части карьера составляют 70-80, на Целиноградском горно-химическом комбинате один из участков борта карьера высотой 120 м был отстроен под углом 55.

Однако отмечаются и факты самообрушения отдельных участков бортов, которые существенно осложняют открытые горные работы, а в некоторых случаях обусловливают большие потери полезного ископаемого, наносят экономический ущерб предприятию и даже могут сопровождаться человеческими жертвами.

Всё это говорит о том, что принятые в настоящее время методические подходы и нормативные документы зачастую приводят к техническим решениям, неадекватным конкретным горно-геологическим условиям. Это происходит вследствие недостаточного учёта основных особенностей массивов высокопрочных скальных пород, а именно – их иерархически блочного строения и естественного напряжённого состояния, обусловленного в большинстве случаев действием гравитационно-тектонических полей напряжений.

Здесь также как и для горных выработок, проектами обычно предусматривается одна конструкция бортов (один угол наклона борта, одна высота и один угол наклона уступа) для всего карьера, несмотря на резкие различия горно-геологических условий отдельных участков массива. Здесь также перспективными направлениями являются переход на оптимальные конструкции уступов и бортов (высоты уступов, углы наклона отдельных уступов и борта в целом), параметры которых будут достаточно обосновано увязаны с параметрами состояния приконтурного массива.

Таким образом, к настоящему времени разработаны научные подходы к управлению геомеханическими процессами при освоении недр. При этом, по мере усложнения горно-геологических и гидрогеологических условий осваиваемых месторождений полезных ископаемых и строительства подземных сооружений, а также вследствие повышения экологических и экономических требований к недропользованию, становится всё более очевидным, что наиболее эффективными методами управления геомеханическими процессами в массиве пород являются методы целенаправленного выбора технологических процессов разработки месторождений и подземного строительства.

В рамках данного курса мы будем рассматривать методы управления состоянием массива пород, главным образом, геомеханическими процессами применительно к вопросам подземной разработки месторождений. Однако следует заметить, что практически все основные подходы целиком применимы и для открытых работ, и при подземном строительстве, поскольку суть происходящих в массиве пород процессов одна.

На практике при разработке месторождений полезных ископаемых в настоящее время применяют следующие основные способы управления состоянием массива горных пород:

1. Крепление выработок и выработанного пространства. Применяют для капитальных и подготовительных горных выработок. Для очистных выработок применяют в случае, когда полезное ископаемое и вмещающие породы неустойчивы и требуют поддержания. В качестве крепи используют деревянные стойки и костры; каменную бутовую и кирпичную кладку; монолитный бетон и бетонные полосы; столбы, металлические конструкции и стойки; механизированную ограждающую крепь, анкерную крепь  и набрызг-бетон и др. Назначение крепи заключается в снижении деформаций и предотвращении разрушений (отслоений, вывалов, трещинообразования) обнажённых пород призабойного пространства в течение определённого времени, необходимого для производства работ.

2. Поддержание выработанных пространств целиками. Этот способ заключается в обеспечении устойчивого равновесия массива подработанных пород и предотвращении обрушения земной поверхности. Месторождения в этом случае отрабатывают системами с открытым очистным пространством, сущность которых заключается в выемке камер и оставлении прочных целиков между ними.

Рассматриваемый способ управления состоянием массива горных пород применяют тогда, когда полезное ископаемое и породы обладают высокой устойчивостью при сравнительно невысокой ценности полезного ископаемого, а также при необходимости сохранения земной поверхности (при наличии водоёмов, гражданской или промышленной застройки, железных дорог и других подлежащих охране объектов). При отработке высокоценных руд целики могут заменяться надёжными искусственными опорами (бетонными, каменными).

3. Поддержание выработанного пространства временно оставляемой (магазинированной) отбитой рудой. При этом способе, применяемом для отработки маломощных крутопадающих (жильных) месторождений, в процессе отработки блоков 60-70% отбитой руды временно оставляют в выработанном пространстве для поддержания обнажений висячего и лежачего боков, склонных к частичным вывалам и обрушениям. В целом, руды и породы должны быть достаточно устойчивыми, чтобы в очистном забое кровля и бока не обрушались и обеспечивали безопасное ведение очистных работ.

4. Закладка выработанного пространства. В неустойчивых, склонных к обрушению породах после выемки (или одновременно с выемкой) полезного ископаемого для предотвращения опасных деформаций выработанное пространство заполняют закладочным материалом. В качестве закладочных материалов используют дроблёные пустые породы, песок, гравий, шлаки металлургических заводов и электростанций, хвосты обогатительных фабрик. Наиболее надёжным средством поддержания являются твердеющие (бетонные) смеси при условии полного подпора кровли выработанного пространства закладочным материалом и своевременного выполнения работ по закладке.

5. Управление состоянием массива посредством обрушения пород. Сущность этого способа заключается в последовательном обрушении налегающей толщи пород вслед за подвиганием очистных работ. В связи с тем, что в результате выемки полезного ископаемого и подработки пород увеличивается опорное давление на прилегающий массив и возрастает опасность недопустимого деформирования (даже раздавливания) пород необходимо периодически снижать величину опасных напряжений путём обрушения подработанной толщи пород.

Обрушение может быть частичным (обрушается только нижняя пачка пород -  непосредственная кровля или часть вышележащей толщи пород) или полным  (в процесс обрушения вовлекается вся толща пород до земной поверхности). Вполне очевидно, что во втором случае происходит основная разгрузка прилегающего массива горных пород.

Способ управления состоянием массива самообрушением пород под действием их собственного веса применяют в случае слабых неустойчивых и трещиноватых пород при полезном ископаемом различной прочности. Если же вмещающие породы достаточно устойчивы, то подработанные породы обрушают принудительно путём взрывания скважин либо сосредоточенных (минных) зарядов. К принудительному обрушению пород часто прибегают в начальный период очистной выемки, для ликвидации зависаний подрабатываемых пород. С развитием фронта очистных работ и увеличением площадей подработки создаются обычно более благоприятные условия самообрушения пород с определённым шагом.

С целью создания благоприятных условий для самообрушения пород отработка месторождений должна осуществляться без оставления каких-либо постоянных целиков сплошным фронтом, в направлении от средней части месторождения к флангам.

Перечисленные способы управления состоянием массива пород в каждом конкретном случае выбирают с учётом вероятности динамических проявлений горного давления, вредного воздействия температурных, гидро- и газодинамических факторов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21801. Описание основных функций организационно-технического управления 142.5 KB
  1 Классификация процессов управления 11.2 Содержательное описание функций управления Литература 1 Анфилатов В. Управление заключается в преобразовании информации состоянии объекта управления в командную информацию.
21802. Принятие решений в условиях нестохастической неопределенности 116.5 KB
  Критерий среднего выигрыша. Данный критерий предполагает задание вероятностей состояния обстановки . Эффективность системы оценивается как среднее ожидаемое значение МОЖ оценок эффективности по всем состояниям обстановки оптимальной системе будет соответствовать эффективность Критерий Лапласа. Критерий Лапласа – частный случай критерия среднего выигрыша.
21803. Модели основных функций организационно-технического управления 190 KB
  Центральными понятиями в теории принятия решений являются: универсальное множество вариантов альтернатив из которых осуществляется выбор; предъявление множество альтернатив предъявленных для выбора ; множество выбранных альтернатив в частности одна ; С принцип выбора функция выбора правило по которому осуществляется выбор наилучшей альтернативы . Функция выбора может задаваться поэлементно или в виде графика какойлибо зависимости или как целостное множество удовлетворяющее некоторым условиям. Часто в задачах принятия...
21804. Оценка сложных систем в условиях риска на основе функции полезности 105 KB
  В этом случае целесообразно использовать аксиоматический подход к оценке систем на основе теории полезности. Эффективность систем в вероятностных операциях находится через математическое ожидание функции полезности на множестве исходов . все компоненты векторного критерия на основе предпочтений ЛПР преобразуются в функции полезности компонентов и лишь затем осуществляется свертывание.
21805. Принципы и структура системного анализа 106.5 KB
  Специфической особенностью методики системного анализа является то что она должна опираться на понятие системы и использовать закономерности построения функционирования и развития систем. Общим для всех методик системного анализа является определение закона функционирования системы формирование вариантов структуры системы нескольких альтернативных алгоритмов реализующих заданный закон функционирования и выбор наилучшего варианта осуществляемого путем решения задач декомпозиции анализа исследуемой системы и синтез системы снимающей...
21806. Роль и место теории принятия решений в структуре подготовки специалиста 76 KB
  1 Роль и место теории принятия решений в структуре подготовки специалиста Общие свойства управления исследуются в кибернетике см. Проблемы управления техническими системами без участия человека – в теории автоматического управления ТАУ. Особенности управления в социальноэкономических системах изучаются в рамках менеджмента управление в современных организационно технических системах предмет настоящей дисциплины – в теории автоматизированных систем управления АСУ. Системный анализ наиболее конструктивное направление используемое...
21807. Основы построения автоматизированных систем управления 71.5 KB
  Рисунок 1 Блоксхема системы управления СУ Источником информации является объект управления ОУ посылающий по каналу связи информацию в своем состоянии. Управляющая система УС в зависимости от количества и содержания информации об объекте управления вырабатывает решение о воздействии на него. В реально функционирующих СУ на все элементы воздействует среда внося свои коррективы как в количество информации так и в качество. Основными группами функций являются: функции принятия решений функции преобразования содержания информации ...
21808. Концептуальные понятия теории систем и системного анализа 124.5 KB
  Основными задачами системного анализа являются: задача декомпозиции – представление систем из подсистем состоящих из элементов; задача анализа – определение свойств систем или окружающей среды определение закона преобразования информации описывающего поведение системы; задача синтеза – по описанию закона преобразования информации построить систему.1 – Понятие системы Множество элементов А системы S можно описать в виде: где i=ый элемент системы: число элементов в системе.2 Элемент системы Отсюда систему можно...
21809. Методы качественного оценивания систем 38 KB
  Качественные методы используются на начальных этапах системного анализа если реальная система не может быть описана в количественных характеристиках отсутствуют закономерности систем в виде аналитических зависимостей. Количественные методы используются на последующих этапах моделирования для количественного анализа вариантов системы. Во всех методах смысл задачи оценивания состоит в сопоставлении рассматриваемой системе альтернативе вектора из критериального пространства Km координаты точек которого рассматриваются как оценки по...