Управление удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при разработке железорудных месторождений Сибири

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 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 месторождения 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 специалистов-производственников. Организатором работы по прогнозу и предупреждению горных ударов на Таштагольском месторождении выступил главный инженер Горного управления КМК В. А. Коваленко. К работе подключились научные и образовательные институты ИПКОН, ВНИМИ, ИГД GO АН СССР, ВостНИГРИ, КузПИ и другие. В короткие сроки учёными в тесном сотрудничестве со специалистами Горного управления КМК и Тапггаголь-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 учёных 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 процессом горного производства. Опыт эксплуатации рудных удароопасных месторождений показывает, что взрывные работы выступают главным техногенным фактором, вызывающим опасные динамические проявления горного 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 Тапггагольском 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 научно-исследовательских работ ВостНИГРИ иКузГТУ 19 962 004 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 Алтае-Саянской складчатой области под влиянием природных тектонических, сейсмических и техногенных воздействий для безопасной отработки месторождений Горной Шории и Хакасии», государственного контракта №Э0123. №ГР 1 200 302 559, 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 1 200 117 892.

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 пород;

— 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 условий железорудных месторождений Сибири.

Методы исследований включают обобщение и научный анализ материалов отечественного и зарубежного опыта разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом в опасных по горным ударам условиях, 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 проявлений 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.

Достоверность научных положений подтверждается:

— представительным объемом длительных (до 14 лет) шахтных исследований (5361 динамическое событие, 48 специальных, 337 технологических 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 горно-геологических условиях;

— внедрением в практику рекомендаций исследований, таких как скважины больших диаметров, вертикальных, концентрированных зарядов (ВКЗ), неэлектрических средств инициирования (СИНВ) и др. на железорудных месторождениях 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;

— 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 Таштагольском 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 дншц блоков и других мероприятий.

Личный вклад автора состоит в исследовании процессов проявлений горного давления в динамической форме и разработке методики их оценкианализе, обобщении и статистической обработке результатов инструментальных замеров и микросейсмологического способа прогноза и предупреждения горных ударов за период 14 летустановлении закономерностей возникновения и реализации процессов динамической активности в массивах пород, отрабатываемых системами с массовым обрушениемразработке методики оценки степени воздействия основных технологических процессов горного производства на динамическую активность массива породразработке классификации динамических проявлений горного давления по нарушениям в горных выработкахустановлении статистических зависимостей между параметрами динамических проявлений горного давления и параметрами буровзрывных работ массовых взрывоввнедрении на руднике противоударных мероприятийразработке рекомендации по управлению напряженно-деформированным состоянием массива пород при проведении массовых взрывов и внедрении регламента их производства в опасных по горным ударам условияхвнедрении в производство скважин большого диаметра^ вертикальных концентрированных зарядов, неэлектрических систем инициирования, 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 горно-тектонического 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 сооружений в зонах опасных сдвижений земной поверхности от подземных горных работ на железорудных месторождениях Сибири» (2001г., г. Новокузнецк), «Руководство по сооружению 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 пород» (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.

288 Выводы.

1 Категория проявления горного давления в динамической форме определяется, в целях прогноза и предупреждения динамических явлений, по характеру нарушений в горных выработках.

2 Используемый на руднике комплекс мероприятий по повышению безопасности работ в удароопасных условиях снижает вероятность динамических проявлений горного давления в районах ведения основных горных работ на буровых подэтажах, горизонтах подсечки, ортах, сокращает время нахождения людей в выработках в опасные периоды времени и в выработках с категорией удароопасности, но не влияет на состояние удароопасного массива пород, а следовательно и на параметры динамических проявлений горного давления.

3 К методам позволяющим управлять состоянием удароопасного массива горных пород и его реакцией в виде горных ударов относятся: а) изменение величины объёма взрываемого за один специальный массовый взрыв массива пород-. б) снижение величины заряда ВВ максимального по заряду замедления взрыва;

4 Снижение объема взрываемого за один массовый взрыв массива пород, или уменьшение величины заряда ВВ максимального по заряду замедления, ведет к снижению прогнозной величины энергии максимальных динамических проявлений после взрывов.

5 Уменьшение величины объема массива пород, взрываемого одним массовым взрывом, возможно посредством деления технологического блока на 2−4 секции с объёмом не более 50−60 тыс. м3 для существующей на руднике системы разработки, или посредством перехода на новую систему, при этом величина энергии динамических проявлений горного давления уменьшится в 10−100 раз.

6 Использование системы СИНВ, скважин диаметром 150 мм и более, вертикальных концентрированных зарядов позволяет снизить величину максимального заряда ВВ замедлений взрыва до 10−20 т и энергию динамических проявлений горного давления при этом без снижения объёма взрываемого массива пород блока уменьшится в 10−100 раз.

7 Выбор рациональных режимов производства массовых взрывов, основанных на задании интервалов времени между взрывами в 1 и 4, или 2 и 3 недели позволяет в 70% случаев специальных массовых взрывов, используя состояние массива пород, регулировать энергию динамических проявлений горного давления после взрывов.

8 Эффективность способов управления удароопасным состоянием массива пород достигается при комплексном использовании противоударных мероприятий.

9 Методы управления состоянием массива пород могут использоваться на любых горнодобывающих удароопасных предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований предложены научно-обоснованные технологические решения по управлению удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при разработке железорудных месторождений Сибири.

Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 Установлено, что на отрабатываемых подземным способом железорудных месторождениях динамическая активность в массиве пород является результатом достаточной для возникновения динамических проявлений горного давления совокупности природных и техногенных факторов.

2 Однотипность природных и техногенных факторов определяют идентичность условий возникновения и механизмов реализации динамических проявлений горного давления на Таштагольском, Шерегешевском, Казском, Абаканском и других месторождениях России.

3 Для железорудных месторождений Алтае-Саянской складчатой области первые признаки динамических проявлений горного давления появляются на глубине 300 м, а горные удары с глубины 500 м и выше. .

4 Установлены закономерности проявлений горного давления в динамической форме для Тапггагольского месторождения, подтверждающие, что основное влияние на динамическую активность в массиве пород оказывают очистные работы и особенно массовые взрывы. 73,8% проявлений горного давления с установленными координатами произошли за 14 лет на Восточном участке в высотных отметках (-105) — (-315) м — отметках района производства очистных работ. В первые сутки после всех массовых взрывов за 1987;2000 гг. произошло 41,4% от суммарного количества динамических проявлений горного давления с энергией равной 77,4% от суммарной энергии динамических событий за этот период. Наибольшая активность динамических проявлений наблюдалась в воскресные дни с 8 до 9 и с 12 до 13 час, при том, что технологические взрывы производятся, как правило, в 8, а специальные в 12 час и только в воскресные дни.

5 Разработана и внедрена методика, на основании которой установлено, что в порядке убывания значений уровня воздействия на геодинамическое состояние массива пород, технологические процессы ранжируются следующим образом: специальные массовые взрывы (инициировали 30% динамических проявлений за 14 лет с суммарной энергией составляющей 69,8% энергии всех динамических проявлений за этот период) — технологические массовые взрывы (соответственно 18,5% и 15%) — выпуск рудной массы из компенсационных камер (5,5% и 9,5%) — массовый выпуск руды (43,4% и 3,1%) — проходческие взрывные работы (1,6% и 1,6%) — прочие горные работы (1%и1%).

6 Определены параметры зон распределения волн напряжений в массиве пород Таштагольского месторождения: для взрыва по образованию подсечки ближняя зона — 0,5 — 07 м, средняя от 07 до 20 — 25 м, дальняя — более 25 мдля специальных массовых взрывов ближняя зона — 2 — 3 м, средняя от 3 до 90 — 110 м, дальняя — более 110 м.

7 Установлено, что массовые взрывы формируют в крепи выработок остаточные деформации, главным образом сжатия, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, измеряемые от единиц до первых десятков мм и см. Определено, что воздействие массовых взрывов на крепь выработок осуществляется двумя способами: в результате процессов, обусловленных изменением контура очистного пространствав результате сейсмического воздействия взрыва на крепь и закрепный массив пород.

8 Разработан и внедрен графоаналитический метод определения параметров зоны опорного давления от очистных работ, основанный на использовании фактических данных микросейсмологического метода прогноза проявг лений горного давления.

Установлено, что граница зоны опорного давления для условий Таштагольского месторождения расположена по падению рудной зоны на 70−80 м ниже откаточного горизонтавкрест простирания на уровне бурового горизонта — в 80−100 м в направлении висячего и 100−140 м в направлении лежачего бока от контура очистного пространства, на уровне откаточного горизонта соответственно в 40−70 м и в 80−120 мпо простиранию рудной зоны на расстоянии 120−130 м на уровне бурового и 100 м на уровне откаточного горизонта от контура очистного пространства. Выявлено, что после массового взрыва граница зоны опорного давления скачкообразно перемещается по простиранию рудной зоны на величину равную приращению очистного пространства (на 27−30 м), при этом имеет место высокая динамическая активность в массиве пород в новых границах зоны.

9 Установлено, что первые 25 с после специального массового взрыва в зоне опорного давления имеет место процесс активизации динамических явлений, сопровождаемый высокой частотой и энергией динамических событий. В период от 25 до 45−50 с, после взрыва наблюдается снижение динамической активности, а через 45−50 с с момента взрыва её новый рост, при этом динамические события происходят как в зоне опорного давления, так и вне зоны. Через 7 суток после взрыва динамическая активность проявлений горного давления в массиве пород выходит на уровень периодов недель без взрывов.

10 Разработана и предложена классификация горных ударов, основанная на их последствиях в горных выработках, согласно которой динамические проявления горного давления в массиве пород делятся на признаки повышенного горного давления, собственно горные удары (1,2,3 категории) и горно-тектонические удары (1,2,3 категории).

И Определено, что массовые взрывы воздействуют на геодинамическое состояние массива пород в процессе изменения контура очистного прог странства и в результате сейсмического воздействия взрыва. Установлены статистические зависимости значений энергии максимального динамического проявления горного давления после массовых взрывов от максимальной величины заряда взрывчатых веществ замедлений и от величины объема взрываемого технологического блока по периодам времени до 25 с с момента взрыва и от 45 с до 7 суток.

12 Разработаны и внедрены способы управления величиной энергии динамических проявлений горного давления после массовых взрывов, основанные на уменьшении объёма массива пород, взрываемого массовым взрывом, до 50−60 тыс. м3 и максимальной величины заряда взрывчатых веществ замедлений взрыва до 10−25т, что позволит снизить величину энергии динамических проявлений горного давления после массовых взрывов на 1−2 и более класса.

13 Обосновано, что рациональным как с позиции экономики, так и безопасности работ способом снижения объема взрываемого технологического блока до 50−60 тыс. м является переход на новые системы разработки с этажным или подэтажным обрушением, в том числе с закладкой выработанного пространства.

14 Установлены возможные способы снижения величины максимального заряда взрывчатых веществ замедлений взрыва: увеличение числа замедлений, в том числе за счёт применения неэлектрической системы взрыванияуменьшением заряда ВВ массовых взрывов за счет применения скважин большого диаметра (150 мм и выше), вертикальных концентрированных зарядов.

15 По результатам исследований реакции массива пород на массовые взрывы установлена зависимость энергии динамических проявлений горного давления после взрывов от интервалов времени между взрывами. При интервалах в 1 или 4 недели энергия динамических проявлений после взрывов на 1−2 класса ниже, чем при тех же параметрах буровзрывных работ, но при интервалах в 2 или 3 недели. Рекомендуется соблюдать интервалы времени г между массовыми взрывами в одну или четыре недели.

16 В условиях роста глубины отработки месторождений и ухудшения динамической ситуации в массиве пород только комплексное использование противоударных мероприятий может обеспечить безопасность работ.

17 Полученные в диссертационной работе применительно к Ташта-гольскому месторождению выводы и закономерности в равной степени могут распространяются на другие месторождения руд в России и за рубежом, отрабатываемые в условиях повышенной удароопасности.