Введение 5 ВВЕДЕНИЕ

Введение
5 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы: Развитие горнорудного производства в нашей стране происходит за
счет подготовки глубоких горизонтов действующих рудников и освоения новых, глубоко
залегающих месторождений. На рудниках цветной и черной металлургии России в конце
восьмидесятых годов прошлого столетия глубина разработки достигала 700-1200 м при
среднем понижении горных работ в 15-25 м в год. Глубокие рудники характеризуются
резким ухудшением горно-геологических условий: изменяются физико-механические
свойства горных пород, уменьшается их пористость, повышается прочность. Рост горного
давления в массиве пород на этом фоне ведет к возникновению проявлений горных
ударов.
Горные удары, как явления, в ряде горнопромышленных районов мира известны более
двух столетий. Уже к 1900 г. имели место настолько сильные v' горные удары с энергией
до 10б МДж, сейсмические колебания от которых
разрушали сооружения на поверхности [1]. К наиболее удароопасным районам мира в
настоящее время относятся угольные и рудные бассейны Польши, ФРГ, Индии, ЮАР,
США, Канады [2, 3, 4]. В России среди рудных месторождений удароопасными являются
Североуральское бокситовое, железорудные месторождения Горной Шории и Хакасии,
рудники Талнахского района, Кольского полуострова. На этих предприятиях имеют место
все виды горных ударов от толчков и стреляний до горно-тектонических ударов с
энергией 108-1012 Дж [5].
Впервые на железорудных месторождениях Сибири динамические явления в массиве
горных пород стали проявляться в шестидесятые годы на ^ Таштагольском руднике.
Резкое ухудшение условий отработки месторожде-ния с достижением глубины 400 м и
возникновение динамических проявлений горного давления на глубине 500 м от
поверхности требовало неотложного решения проблем горных ударов с привлечением
учёных и специали-*f
6
стов-производственников. Организатором работы по прогнозу и предупреждению горных
ударов на Таштагольском месторождении выступил главный инженер Горного
управления КМК В.АКоваленко. К работе подключились научные и образовательные
институты ИПКОН, ВНИМИ, ИГД 00 АН СССР, ВостНИГРИ, КузПИ и другие. В
короткие сроки учёными в тесном сотрудничестве со специалистами Горного управления
КМК и Таштаголь-ского рудника были разработаны и внедрены противоударные
мероприятия, временные, а потом и постоянные нормативные документы, в том числе
«Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных
месторождениях, склонных к горным ударам», «Указания по безопасному ведению работ
на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам», регламентирующие
порядок производства горных работ. Это позволило продолжить отработку
месторождения без снижения объёмов производства и экономических показателей,
повысить уровень промышленной безопасности. За большой вклад в решение проблемы
горных ударов коллектив учё-у- ных во главе с профессором доктором технических наук
И:М.Петуховым
был удостоен вручения государственной премии.
Дальнейшее понижение горных работ на Таштагольском, достижение глубины отработки
в 400-500 м на Шерегешевском, Казском и Абаканском месторождениях вызвало рост
интенсивности динамических явлений на Таштагольском месторождении, возникновение
динамических событий с энергией 5-9 класса на Шерегешевском, динамических явлений в
массивах пород Казского и Абаканского месторождений. Таштагольское месторождение
отнесено к опасным, а Казское, Шерегешевское и Абаканское к угрожаемым по горным
ударам.
Взрывные работы на горнорудных предприятиях до настоящего времени являются, и на
ближайшую перспективу будут оставаться основным v процессом горного производства.
Опыт эксплуатации рудных удароопасных
месторождений показывает, что взрывные работы выступают главным техногенным
фактором, вызывающим опасные динамические проявления горного
7
давления в массивах пород. Особо сильное воздействие на геодинамическое состояние
массива пород месторождений оказывают массовые взрывы, величина заряда взрывных
веществ которых доходит до 700 т для специальных и 15-20 т для технологических
взрывов. Так, на Таштагольском месторождении в 1987-2000 гг. в первые сутки после
массовых взрывов произошло свыше 50% от общего числа наиболее мощных проявлений
горного давления в динамической форме с энергией 107-109Дж. Горные удары,
инициируемые массовыми взрывами, в последние годы имели место на Шерегешевском и
Каз-ском месторождениях.
Возникновение горных ударов большой мощности на крупных железорудных
месторождениях Сибири ведет к необходимости решения, мало изученной до настоящего
времени проблемы управления напряженным состоянием массива пород при производстве
массовых взрывов,
В этой связи разработка и обоснование в диссертационной работе способов управления
удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при
разработке крупных железорудных месторождений Сибири является технологическим
решением проблемы борьбы с горными ударами, которое вносит вклад в повышение
уровня промышленной безопасности и эффективности железорудной горнодобывающей
отрасли региона.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научноисследовательских работ ВостНИГРИ и КузГТУ 1996-2004 гг., отраслевым планом
научно-исследовательских опытно-конструкторских работ и межотраслевых программ по
проблеме горных ударов, проводимых на рудных месторождениях в рамках
ФЦП«Интеграция» - «Полевые исследования геодинамической активности региона АлтаеСаянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и
техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и
Хакасии», государственного контракта №Э0123. №ГР 01200302559,
8
государственного контракта №38-6, заказ-наряда №12 - «Разработка теории разрушения
анизотропных горных пород в условиях объёмного напряженного состояния при
комплексном воздействии на горный массив механических инденторов и гидравлических
струй», № ГР 01200117892.
Целью работы является разработка способов управления удароопас-ностью горного
массива пород железорудных месторождений изменением параметров взрывной отбойки.
Идея работы состоит в использовании закономерностей активизации динамических
процессов в массиве пород железорудных месторождений в условиях производства
массовых взрывов с целью разработки и обоснования способов управления удароопасным
состоянием массива пород изменением параметров взрывной отбойки.
Задачи исследований:
- исследовать закономерности активизации динамических процессов в массиве пород
месторождений Горной Шории и Хакасии;
- разработать методику оценки уровня воздействия технологических процессов горного
производства на геодинамическое состояние массива по- род;
- установить механизм воздействия массовых взрывов и проявлений горного давления в
динамической форме на крепь и массив пород горных выработок;
- установить и исследовать закономерности активизации динамических процессов в
массиве пород после производства массовых взрывов;
- установить эмпирические зависимости между параметрами буровзрывных работ
массовых взрывов и проявлений горного давления в динамической форме;
- разработать способы управления удароопасным состоянием массива пород изменением
параметров взрывной отбойки для условии железорудных месторождений Сибири.
9
Методы исследований включают обобщение и научный анализ материалов
отечественного и зарубежного опыта разработки месторождений полезных ископаемых
подземным способом в опасных по горным ударам усло- виях, исследования в
производственных условиях с регистрацией параметров динамической активности и
деформационных процессов в массиве горных пород, анализ результатов
микросейсмологического метода прогноза горных ударов, обобщение и анализ
зависимостей между параметрами динамических проявлений горного давления и
параметрами буровзрывных работ массовых взрывов, методы математической статистики,
промышленные эксперименты.
Основные научные положения, защищаемые автором:
- уровень воздействия процессов горного производства, включающих специальные и
технологические массовые взрывы, выпуск руды из компенсационных камер, из очистных
блоков, проходческие взрывные работы, другие операции, на массив горных пород
определяется интенсивностью прояв- лении горного давления в динамической форме;
- деформации крепи горных выработок, обусловленные массовыми взрывами, возникают
при образовании подсечного пространства на расстоянии до 25 м, при обрушении массива
панелей - до 110 м от очага взрыва;
- уровень сейсмической энергии динамических явлений, вызванных массовыми взрывами,
обусловлен интервалами замедлений и определяется максимальной величиной заряда
взрывчатых веществ замедлений;
- снижение интенсивности динамических явлений в массиве горных пород достигается
производством массовых взрывов с интервалами в одну и четыре недели;
- определение категории проявлений горного давления в динамической форме в массиве
пород в целях прогноза и предупреждения динамических явлений производится по
характеру нарушений в выработках.
10 Достоверность научных положений подтверждается:
- представительным объемом длительных (до 14 лет) шахтных исследований (5361
динамическое событие, 48 специальных, 337 технологических
«'¦ДО массовых взрывов на Таштагольском руднике) с применением современных
методов анализа геодинамической обстановки в массиве пород;
- экспериментально-аналитическими исследованиями с применением методов
математической статистики и теоретических обобщений закономерностей проявлений
горного давления в массиве пород в условиях производства массовых взрывов;
- удовлетворительной сходимостью (до 80 %) расчетных результатов с результатами
инструментальных и натурных измерений при производстве работ в сложных горногеологических условиях;
- внедрением в практику рекомендаций исследований, таких как скважины больших
диаметров, вертикальных, концентрированных зарядов (ВКЗ), неэлектрических средств
инициирования (СИНВ) и др. на железорудных ме$1 сторождениях Сибири с получением экономического эффекта и повышением
уровня промышленной безопасности.
Научная новизна работы заключается в:
- установлении закономерностей активизации динамических процессов в массиве пород,
обусловленных производством массовых взрывов;
- разработке методики для определения уровня воздействия процессов горного
производства, включая специальные и технологические массовые взрывы, выпуск руды из
компенсационных камер и очистных блоков, проходческих взрывных работ и других
операций, на массив горных пород по интенсивности динамических явлений в массиве;
- определении расстояний от очага взрыва, в пределах которых в крепи горных выработок
возникают деформации в результате производства массо-вых взрывов по образованию
подсечного пространства и обрушению массива панели;
*ч' ¦ • • f
11
- установление эмпирической зависимости между энергией динамических проявлений в
массиве горных пород и величиной заряда взрывчатых веществ, обусловленной
интервалами замедлений;
- обосновании продолжительности интервалов между массовыми взрывами в целях
снижения энергии динамических проявлений;
- определении категории динамического явления в массиве пород по характеру
нарушений в выработках для прогноза и предупреждения проявлений горного давления.
Практическая ценность работы заключается в:
- использовании микросейсмологического способа прогноза горных ударов для оценки
активизации динамических процессов в массиве пород;
- установлении уровней воздействия процессов горного производства на массив пород;
- обосновании параметров зоны опорного давления от очистных работ по фактическим
результатам;
- ¦ обосновании расстояний от очага взрыва зарядов, в пределах которых в крепи
выработок возникают деформации, обусловленные производством технологических и
специальных массовых взрывов;
- разработке методов управления удароопасным состоянием массива пород при
производстве массовых взрывов изменением параметров буровзрывных работ;
- разработке регламента производства взрывных работ на Таштаголь-ском руднике;
- разработке классификации динамических проявлений горного давления по их
последствиям в горных выработках;
- обосновании и внедрении в производство вертикальных концентрированных зарядов
(ВКЗ), неэлектрических средств инициирования (СИНВ), скважин больших диаметров (до
280 мм), способов подготовки днищ блоков и других мероприятий.
12
Личный вклад автора состоит в исследовании процессов проявлений горного давления в
динамической форме и разработке методики их оценки; анализе, обобщении и
статистической обработке результатов инструменталь- иык замеров и
микросейсмологического способа прогноза и предупреждения горных ударов за период 14
лет; установлении закономерностей возникновения и реализации процессов динамической
активности в массивах пород, отрабатываемых системами с массовым обрушением;
разработке методики оценки степени воздействия основных технологических процессов
горного производства на динамическую активность массива пород; разработке
классификации динамических проявлений горного давления по нарушениям в горных
выработках; установлении статистических зависимостей между параметрами
динамических проявлений горного давления и параметрами буровзрывных работ
массовых взрывов; внедрении на руднике противоударных мероприятий; разработке
рекомендации по управлению напряженно-деформированным состоянием массива пород
при проведении массовых взрывов и внедрении регламента их производства в опасных по
горным ударам условиях; внедрении в производство скважин большого диаметра,
вертикальных концентрированных зарядов, неэлектрических систем шшциирова-ния,
компенсационных камер эллипсовидной формы, плоской горизонтальной подсечки,
способов подготовки днищ блоков и других противоударных мероприятий.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные
автором, вошли в «Методические рекомендации по предотвращению ударов горнотектонического типа на железорудных месторождениях Сибири» (1997г., г. Новокузнецк),
в «Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории,
склонных и опасных по горным ударам» (2001г., г. Новокузнецк), «Методические
указания по применению конструктивных мер защиты сооружении в зонах опасных
сдвижений земной поверхности от подземных горных работ на железорудных
месторождениях Сибири» (2001г., г. Новокузнецк), «Руководство по со13
оружению вертикальных стволов при повышенном горном давлении в ударо-опасном
массиве горных пород на рудниках Сибири» (2001г., г. Новокузнецк), методические
отраслевые документы, доведенные до практического использования на рудных
месторождениях склонных к горным ударам, экономический эффект от их внедрения
составил в 1995-2004 гг. 625 тыс. руб. в год, доля автора составила 32%.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты
исследований заслушаны и одобрены на заседаниях научно-технического семинара
КузГТУ (Кемерово, 1994-1995 гг.), на Международной конференции«Горные науки на
рубеже XXI века» (М-Пермь, 1997 г.), на конференции «Совершенствование подземной
разработки» (Кемерово, 1999 г.), на научно-практической конференции «Оценка
современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений,
методам прогноза и предупреждения горных ударов» (Таштагол, 2000 г.), на
Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных по-gi род» (г.
Абаза, Хакасия, 2002 г.), на Международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004 г.), на совещаниях ОАО
«Сибруда», ООО «Кузнецкий ГОК», Таштагольского рудника.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 27 печатных работах,
включая 5 авторских свидетельства СССР и 3 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 314 страницах и состоит из
введения, 7 разделов, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований,
приложения, содержит 49 таблиц и 63 рисунка.
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность д.т.н. Егорову
П.В., д.т.н. Цинкеру Л.М., д.т.н. Ерёменко А.А., к.т.н. Вагановой В А., научным
сотрудникам институтов ВостНИГРИ, КузГТУ и Щ СибГИУ за советы и помощь при
выполнении работы, а также работникам
предприятий ОАО «Евразруда».
14
1 УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ФОРМЫ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНЫХ
УДАРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ УДАРООПАСНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ СИБИРИ
1.1 Состояние изученности проблемы прогноза и предупреждения
горных ударов
Разработка и теоретическое обоснование методов предупреждения горных ударов и
управления их параметрами в нашей стране и за рубежом базируется на всём комплексе
знаний о поведении удароопасного массива пород, о процессах горного производства в
удароопасных условиях.
Значительный вклад в разработку научных основ теории горных ударов, методов их
прогноза и предупреждения внесли учёные России и других стран СНГ: С.Г. Авершин,
И.Т. Айтматов, И.М. Ватутина, С.А. Ватутин, В.А., Б.Ш. Винокур, Н.П. Влох, П.В.
Егоров, А.А. Ерёменко, В.В. Иванов, СИ. Ка-линии, В.А. Квочин, СВ. Кузнецов, М.В.
Курленя, А.М. Линьков, Т.В. Лобанова, А.В. Мозолев, В.Н. Опарин, И.М. Петухов, В.М.
Проскуряков, В.Н. Рева, А.А. Ренёв, Ю.А. Рыжков, А.Д. Сашурин, В.А. Смирнов, А.А.
Филинков, Л.М. Цинкер, B.C. Шеховцов, Б.В. Шрепп, B.C. Ямщиков и др.
Были определены основные условия возникновения горных ударов и их механизм.
Разработано несколько классификаций горных ударов. Наиболее широкое
распространение в нашей стране получила классификация И.М. Петухова, основанная на
интенсивности проявления горных ударов. Установлено, что напряжённое состояние
нетронутого массива горных пород определяется силами гравитационного и
тектонического происхождения, а также напряжениями, отражающими структурное
строение массива пород - наличие разрывной тектоники, геологических нарушений,
трещин, даек, контактов пород. Разработаны основные принципы прогноза и
предупреждение горных ударов.
15
Взрывные работы являются одним из основных процессов горного производства,
определяющих его эффективность. К настоящему времени довольно полно изучены и
освещены в литературе такие аспекты проблемы бу-'\Щ ровзрьшных работ, как действие
взрыва в среде и механизм разрушения им горных пород, технология взрывной отбойки
массива пород, управление качеством дробления руды. Это достигнуто благодаря
исследованиям Л.И. Барона, ДМ. Бронникова^ О.Е. Власова, Н.Г. Дубынина, Г.П.
Демидюка, Я,Б. Зельдовича, В .Р. Именитова, Б.Н. Кутузова, М.А. Лаврентьева, Г.Н.
Малахова, Л.Н. Марченко, В.И. Машукова, Э.О. Миндели, Г.И. Покровского, Е.П.
Рябченко, М.А. Садовского, Л.И. Седова, АФ. Суханова, А.Е. Умнова, А.Н. Ханукаева,
B.C. Ямщикова и других.
Разработка месторождений полезных ископаемых в настоящее время характеризуется
увеличением глубины горных работ. В конце восьмидесятых годов прошлого столетия из
117 рудников Канады у 59 глубина разработки превысила 900 м, у 30-1200 ми у 16-13002400 м. В США добычу цветных .'¦* металлов и золота осуществляли на глубине около
2400 м, а в ЮАР, Бразилии и Индии - свыше 3000 м. На действующих рудниках цветной и черной металлургии
России глубина разработки достигла 700-1200 м при среднем понижении горных работ в
15-25 м в год. [6]. Глубокие рудники характеризуются резким ухудшением горногеологических условий и переходом руд и пород в предельно-напряженное состояние.
Изменяются физико-механические свойства горных пород, уменьшается их пористость,
повышается прочность. Это ведет к необходимости совершенствования БВР через
оптимизацию их параметров, внедрение новой техники и технологии, взрывных
материалов с одной стороны, повышение уровня промышленной безопасности БВР - с
другой.
^ч В условиях рыночной экономики преимущество отдается первому аспекту совершенствования БВР. Ведутся интенсивные исследования в вопросах взрывной
отбойки массива пород с использованием сближенных и концентрированных зарядов,
изменения конструкции пучковых зарядов, создания и внедрения в производство нового бурового оборудования, обеспечивающего
увеличение диаметра взрывных скважин до 200-300 мм, новых более эффективных и
менее дорогостоящих взрывчатых материалов, средств и систем инициирования.
Теоретической и экспериментальной базой второго аспекта в настоящий момент являются
работы П.В. Егорова, А.А. Ерёменко, В.В. Иванова, В.А. Квочина, М.В. Курлени, Т.И.
Лазаревич, А.В. Мозолева, А.А. Ренёва, И.М. Петухова, Б.В. Шреппа и др., в которых дана
оценка уровня напряженного состояния массива пород при ведении очистных работ,
выявлены уда-роопасные участки в шахтном поле в районах выемочных единиц и в
прилегающем породном массиве, установлены особенности перераспределения зон
опорного давления при отработке очистных блоков, взаимосвязь сейсмической энергии
взрыва с реакцией массива пород на него, критерии удароопас-ности массива пород.
Однако до настоящего времени недостаточно изученными остаются вопросы взаимосвязи
параметров БВР с параметрами дина- мических проявлении горного давления, методы
управления состоянием уда-роопасного массива горных пород и мероприятия, на которых
они могут базироваться.
Анализ состояния вопроса позволил сформулировать цели и задачи исследования.
1.2 Природа и механизм горных ударов
Первый горный удар в Коларском золотодобывающем районе Индии был зарегистрирован
в 1989 т. на руднике Ургаум на глубине 320 м. На руднике Чампион-Риф в 1954 г.
произошел сильный горный удар, а в 1962,1963, 1966 гг. - серия горных ударов, нанесших
большой ущерб [11.. В Канаде на рудниках компании Lake Shore в Онтарио в 1932 г. при
разработке золоторудного месторождения были зарегистрированы первые горные удары,
а в 1957 г. произошел мощный горный удар с энергией порядка 5-Ю4 МДж [2].
17
Горные удары на золотодобывающих предприятиях ЮАР представляют острейшую
проблему на протяжении ряда десятилетий. По мере расширения масштабов добычи
полезных ископаемых количество горных ударов с 1908 по 1918 гг. возросло с семи до
223, а в 1975 г. на 31 золотодобывающем руд-нике их было зарегистрировано уже более
680 [2, 7]. В 80-е годы прошлого столетия только на одном из рудников Буффельсфонтейн
происходило в месяц около 25 динамических событий силой 0,5-4,5 бала по шкале
Рихтера. Растет травматизм, связанный с горными ударами. В 1975 г. в ЮАР число
погибших по причине горных ударов составило 73 чел., или 55,7% от общего числа
смертельных случаев, и 48 тыс. чел.*смен бьшо потеряно из-за травм, в 1979 т. уже 62%
несчастных случаев со смертельным исходом произошло в результате горных ударов и
обрушений [2].
В США горные удары имеют место почти 70 лет на глубоких серебряно-свинцовых
рудника района Кер-д Ален на севере штата Айдахо. Кроме того, на ряде угольных шахт
происходили горные удары, обычно относимые к толчкам. За 25 лет в угледобывающей
промышленности США жертвами горных ударов стали 28 чел. С1978 по 1993 гг.
зарегистрировано 73 несчаст-) ных случая, связанных с горными ударами, в которых
погибло 5 шахтеров, в
55 случаях люди не пострадали [2].
Проявления горного давления в динамической форме приводят не только к гибели и
травматизму людей, но и наносят значительный ущерб горным работам. Сильный горный
удар в 1983 г. на одной из угольных шахт запада США разрушил 40 щитовых крепей
длинных очистных забоев и почти полностью вывел из строя вспомогательный штрек
действующей очистной панели [2].
В России впервые горные удары были зарегистрированы в начале 40-х
^ч годов прошлого века при разработке угольных ив шестидесятые годы при
разработке рудных месторождений [4]. В девяностые годы динамические
проявления горного давления наблюдались на 43 месторождениях. На
Список литературы