» » Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

07.08.2016

Характеристика техногенных факторов, их порядок и взаимное влияние

Рудник, как правило, включает в свою структуру несколько небольших карьеров и шахт различной производственной мощности, отрабатывающих одно или несколько месторождений в разное время, различными системами разработки и на разных глубинах. Более чем 130-летний период освоения запасов Криворожского бассейна нарушил естественное состояние земной коры, что привело к образованию различных техногенных формаций. В первую очередь структурная сложность техногенеза связана с многостадийностью отработки месторождений, основные этапы которой представлены на примере Кривбасса в табл. 5.1.
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Уровень техногенной нагрузки в Кривбассе можно оценить по снимкам земной поверхности, сделанным из космоса (рис. 5.1, а). Отработка запасов бассейна подземным способом сопровождается образованием выработок и выработанных пространств (ВП) шахт с различными формами проявления разрушений в виде мульд сдвижения; ВП, имеющих и не имеющих выхода на земную поверхность; капитальных, подготовительных и очистных горных выработок; отвалов пород бедных и окисленных руд, пустых пород и многое другое (рис. 5.1,б).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Отработка запасов руд по шахтам бассейна осуществляется преимущественно камерными системами разработки (70% от общего объема) и различными вариантами подэтажного обрушения руды и налегающих пород (30%). В свою очередь, камерными системами производят отработку на высоту этажа (45%) и на высоту подэтажа (26%). Отработка рудных залежей системами без поддержания налегающих пород приводит к образованию ВП, в зоны влияния которых попадают запасы разнообразного минерального сырья. Это богатые, бедные и окисленные руды, попутные полезные ископаемые, строительные материалы, камнесамоцветное сырье и др. (рис. 5.2).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Необходимость учета техногенных факторов демонстрируют последствия аварии, произошедшей на шахте «Им. Орджоникидзе» ПАО «Центральный ГОК». Высокая прочность вмещающих пород, большая мощность залежи и незначительные глубины ведения горных работ позволили разрабатывать месторождение маг-нетитовых кварцитов с помощью этажно-камерной системы разработки без поддержания ВП и применения специальных способов управления обнаженной толщей пород (торпедирование, разгрузка, частичная закладка). Кроме этого, разработка запасов шахтой «Им. Орджоникидзе» осуществляется в сложных техногенных условиях, т.е. ВП шахты имеет значительный объем, шахтное поле надрабо-тано старым карьером и подработано шахтой «Им. Ленина» (см. рис. 5.1, б). В результате этого в горном отводе рудника сформировалось сложное техногенноэнергетическое состояние горных пород. Вы шахты «Им. Орджоникидзе» находится по центру зоны термодинамического дисбаланса энергии, сформированной ВП шахты «Им. Ленина». Свидетельством неуправляемого энергетического состояния массива на шахте «Им. Орджоникидзе» стало учащение случаев разрушения междукамерных целиков, самообрушения пород висячего бока и массива потолочин с возникновением статических, динамических и воздушных ударов. Суммирование техногенных факторов стало причиной неконтролируемого само-обрушения массива висячего бока от места ведения взрывных работ до земной поверхности, произошедшее 13.06.2010 г., которое сопровождалось техногенным горным ударом и локальным землетрясением. Кроме значительных убытков от разрушения вентиляционного ствола, автомобильных дорог и стоянок, а также остановки шахты на 3 месяца, катастрофа привела к человеческим жертвам.
На момент несчастного случая шахтой использовались инструкции и методические руководства по расчету параметров системы разработки НИГРИ ГВУЗ «КНУ», которые были созданы за период с 1973 по 2010 гг. для определения геометрических параметров этажно-камерных систем разработки в Кривбассе. Инструкции и другие рекомендации последних лет полностью исключают возможность оценки энергетического уровня массива при надработке и подработке запасов шахтных полей, их взаимного влияния, эффективного управления ВП большого объема при увязке с буровзрывными работами, которые способствуют активизации всех форм проявления энергии напряженного массива.
Разработка месторождений Кривбасса в сложных техногенных условиях глубоко исследованы Б.М. Андреевым, в работах которого дана классификация техногенным факторам и способам их учета. Помимо этого, автором выполнены исследования по учету влияния ВП шахт бассейна на технологические параметры камерных систем разработки при добыче руд из охранных целиков. Однако, на сегодняшний день не предложено технических решений по снижению влияния основного техногенного фактора в Кривбассе - выработанного пространства шахт. С этой целью помимо разработки и внедрения ряда технологических решений по рационализации подготовительных, нарезных, буровзрывных и очистных работ, представленных в главе 5, автором предложен ряд технических решений по управлению ВП на шахтах Кривбасса.
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Помимо основных технологических решений, позволяющих снизить или видоизменить техногенную нагрузку на энергетическое состояние шахтного поля, возможно предпринимать и менее активные мероприятия путем более точного учета техногенных изменений в массиве. Так, для условий добычи джеспилитов крупными блоками в условиях Криворожского бассейна целесообразен учет влияния ВП шахты на состояние пород висячего бока. Для условий Нико-поль-Марганецкого бассейна рациональной будет отработка запасов гранитов под ВП шахты и т.д.
Разделение в шахтном поле протяженных выработанных пространств

Отработка рудных залежей Кривбасса традиционными системами разработки до глубин 1200-1300 м обусловила образование ВП, которые представляют собой на земной поверхности воронки сдвижения, а в недрах - пустоты, частично заполненные обрушенными породами. Эти полости способствуют перераспределению первоначальных напряжений ненарушенного массива и образованию областей опорного давления в местах ведения горных работ. Через выработанное пространство устанавливается аэродинамическая связь с поверхностью, которая способствует увеличению утечек воздуха в вентиляционную сеть шахты, а гидродинамическая связь повышает вторичную обводненность добычных блоков.
Моделирование возможных вариантов преобразования ВП показало, что эффективным является формирование искусственных целиков, состоящих из вмещающих пород и массива закладки. Так, например, возможно из ВП, имеющих выход на земную поверхность, сформировать «слепые» ВП. Основным элементом предлагаемого технологического решения является формирование искусственных целиков с различными способами образования запорных элементов для разных горнотехнических условий северной группы шахт Криворожского бассейна (табл. 5.3).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Пространство над искусственным целиком заполняется сухой или твердеющей закладкой. Опыт повторной разработки месторождений Кривбасса свидетельствует о том, что обрушенные в выработанное пространство породы, при условии отсутствия перемещения, с течением времени превращаются в монолит. Опыт работы Иртышского рудника говорит о том, что сухая закладка воспринимает значительную часть давления вмещающих пород. При моделировании процесса закладки в лабораторных условиях установлено, что при пористости 10 - 12% закладочный материал может воспринимать нагрузку до 5 МПа с усадкой, не превышающей 13%. При условии сохранения породной закладки в неподвижном состоянии и наличии влажной среды ее несущая способность приближается к несущей способности твердеющей закладки. Омоноличивание массива сухой закладки под действием статических сил гравитации, динамических сил взрывных волн и инфильтрационного влияния атмосферных осадков способствует созданию искусственного целика, приближающегося по своим свойствам к естественному.
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Методике расчета параметров искусственных целиков включает следующее:
1. Наклонная длина целика (с учетом запорного элемента), способная воспринять нагрузку области концентрации энергии массива, будет равна длине массива приконтурной энергетической зоны, вновь образованного ВП, выходящего на земную поверхность и определяется, согласно, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где а и в - размеры вертикальной и горизонтальной полуосей приконтурной энергетической зоны ВП, имеющего выход на земную поверхность (см. рис. 5.3, г).
2. Вертикальная высота целика, м
ацв = a siα.

где α - угол распространения ВП, град.
3. Зависимость напряжений, действующих под углом распространения ВП а, МПа
σр = 0,01ацн.

4. Снижение до минимума растягивающих напряжений в запорном элементе искусственного целика (либо в нижней его плоскости) возможно при установке его под углом в к горизонту, который соответствует главному нормальному напряжению σ1(у), действующему в ненарушенном массиве пород и определяется по формуле (3.2). Длина запорного элемента по простиранию пород принимается по расстоянию между откаточными ортами, равным 30-50 м и уточняется по технической характеристике станка глубокого бурения.
5. Прочная ширина запорного элемента определяется по давлению закладочного массива, действующего под углом α, МПа
T1 = Psinα.

Давление массива сухой закладки Р, рассчитанное по методике для усредненных условий северной группы шахт (А = 250 м, а = 60°, S = 80°, H= 1000 м, f = 14, γр = 3,0 т/м3, m = 35 м), составляет 3,5 МПа или 0,12 уН.
6. Используемая для обоснования параметров «плавающей» потолочины методика института ГП «ВостНИГРИ» эффективна для определения минимально возможной толщины запорного элемента, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Для принятых горнотехнических условий минимальная толщина запорного элемента составляет 3,6 м, а технологически необходимая - 35-50 м, что в 10-15 раз больше предельно допустимого размера. То есть при технологически необходимом коэффициенте запаса прочности, равном 2-3, принятая ширина запорного элемента искусственного целика удовлетворяет повышенному запасу прочности.
Отделение запорных элементов производится отрезными оконтуривающими скважинами с взрыванием колонковых зарядов. Технология проведения буровзрывных работ подробно изложена в работе. При таком способе взрывания в плоскости расположения скважин образуется трещина. Процесс трещи-нообразования при контурном взрывании характеризуется пониженной энергоемкостью и гладкостенностью взрывания. Отделенный таким способом запорный элемент искусственного целика имеет заданные размеры и форму. Ожидаемый экономический эффект только от снижения горного давления на подготовительные и очистные блоки в условиях одной шахты составляет более 600 тыс. грн год. Формирование искусственных целиков в полости выработанного пространства позволяет, кроме успешного управления состоянием массива в области ведения подготовительных и очистных работ, снизить на 15% затраты на водоотлив, транспорт и вентиляцию шахты.
Соединение сближенных выработанных пространств в шахтном поле

Комплексное исследование поведения массива вблизи ВП шахт Кривбасса предоставило возможность разработки технологических решений, направленных на рациональное управление горным давлением при добыче руд из охранных целиков. Выявленные закономерности распределения полей напряжений и характера деформации вмещающего ВП массива, а также наличие в шахтных полях большого количества разнотипных обособленных ВП создают благоприятные условия для выбора и применения эффективных способов управления энергетическим состоянием массива горных пород. Снижение горного давления в областях ведения подготовительных и очистных работ сопровождается ресурсосбережением за счет применения менее металлоемкого крепления подготовительных выработок, увеличения размеров очистных камер, уменьшения размеров междуэтажных и междукамерных целиков.
Так, например, ВП шахты «Им. Ленина» ПАО «КЖРК» представлено отработанными до горизонта 1275 м столбо- и пластообразными залежами (рис. 5.4, а). Обрушение коренных пород висячего бока в шахтном поле незначительно. Стабилизация параметров зоны сдвижения начинается с глубин 500-600 м. На северном фланге поля шахты «Им. Ленина» находится законсервированная залежь бедных руд «Пужмерка-Магнетитовая» и разрабатываемая залежь богатых руд «8П». Преобразование ВП шахты с целью снижения горного давления в его лежачем боку возможно за счет разрушения концентраторов напряжения -естественных породных целиков, разделяющих обособленные ВП. Это приводит к перемещению области концентрации энергии к нижнему торцу вновь сформированного ВП, снижению массы обрушенных в ВП пород и увеличения гидропропускной способности ВП (рис. 5.4, б).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

На рис. 5.4, б приведены следующие условные обозначения: а1 и b1 - вертикальная и горизонтальная полуоси в массиве приконтурной энергетической зоны ВП, выходящего на земную поверхность, направленные вдоль осей O1Z1 и O1X1,м; a2 и b2 - вертикальная и горизонтальная полуоси в массиве приконтурной зоны ВП, выходящего на земную поверхность и окружающее «слепое» ВП, и направленные вдоль осей O2Z2 и O2X2, м; α - угол распространения ВП, град; а1 и а2 - глубины приконтурных энергетических зон «слепого» и выходящего на поверхность ВП, м; Ui и U2 - глубины возможного разрушения в породном целике, соответственно, от ВП, имеющего выход на земную поверхность и «слепого» ВП, м.
Методика определения основных технологических параметров состоит из следующих этапов:
1. Размер приконтурной энергетической зоны ВП вкрест простирания пород, определяем по методике.
2. Размер приконтурной энергетической зоны, выходящего на земную поверхность ВП, располагающейся в породном целике, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

3. Глубина приконтурной энергетической зоны «слепого» ВП, располагающейся в породном целике, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где kВП - вертикальный пролет «слепого» ВП, м.
4. Глубина распространения области возможных разрушений в массиве породного целика для ВП, выходящего на земную поверхность, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где H - глубина распространения ВП, м; σсж - предел прочности пород на сжатие, МПа.
Параметры буровзрывных работ для глубоких скважин в области запредельных напряжений эффективно производить отрезными оконтуривающими скважинами с взрыванием колонковых зарядов по методике. Это позволяет снизить энергетические затраты взрывных работ и объем бурения до 25%. Способ разбуривания породного целика определяется исходя из расположения подготовительных и нарезных выработок на соответствующем горизонте. Как показали результаты расчетов для условий шахты «Им. Ленина», разрушение естественных целиков, разделяющих обособленные ВП, позволяет снизить напряженность массива в 6 раз и исключить вторичную обводненность залежей, располагающихся в лежачем боку ВП. Это дает возможность проведения подготовительных выработок без применения крепи и увеличения высоты очистных камер до 120-150 м.
Изменение формы выработанного пространства шахты

Снижение на 60% объемов горно-капитальных работ на шахтах Криворожского бассейна нарушило рациональное соотношение между вскрытыми, подготовленными и отрабатываемыми запасами железных руд. Недостаточные объемы работ по вскрытию и подготовке уменьшили необходимое количество очистных блоков, привели к снижению на 40% производственных мощностей шахт. Поддержание существующих мощностей на шахтах осуществляется за счет доработки запасов вышележащих этажей, ранее оставленных и вынимаемых с повышенными затратами на добычу, транспорт, вентиляцию, охрану труда и др. Одним из возможных вариантов частичного решения этой задачи является параллельное вовлечение в разработку с основными запасами богатых руд Криворожского бассейна и запасов, законсервированных в охранных целиках государственных и коммерческих объектов. Так, например, на шахте «Юбилейная» ПАО «ЕВРАЗ Сухая Балка» для охраны запасов магнетитовых кварцитов залежи «Северная» в объеме 34,3 млн т предусмотрена консервация запасов богатых руд в объеме 4,242 млн тонн. Богатые руды располагаются в интервале горизонтов 1100-1260 м и севернее 227-й маркшейдерской оси (табл. 5.4).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Запасы богатых руд на глубине 110-1260 м севернее 227 MO первоначально предусматривалось отрабатывать после полной отработки магнетитовых кварцитов с применением традиционных технологий отработки шахтных полей, существующих в Криворожском бассейне. С целью разработки технологических решений, обеспечивающих уменьшение запасов законсервированных богатых руд при сохранении возможности дальнейшей отработки балансовых запасов магнетитовых кварцитов НИГРИ ГВУЗ «КНУ» (г. Кривой Рог) в 1996 г. были разработаны соответствующие рекомендации. В них раскрыта возможность частичного извлечения до 2,7 млн т запасов богатых руд из охранного целика с сохранением возможности дальнейшей отработки магнетитовых кварцитов залежи «Северная» за счет оставления в недрах барьерных целиков.
Обрушение пород висячего бока происходит с отставанием от фронта очистных работ на 1-2 отрабатываемых этажа. Сдвижение коренных пород висячего бока прекращается с глубин 450-550 м. С этих глубин процесс сдвижения поверхности стабилизируется и переходит в частичное куполообразное разрушение вмещающих пород вокруг выработанного пространства. Углы сдвижения и разрыва пород по простиранию соответствуют 80°, в висячем и лежачем боках - 55°. ВП шахты «Юбилейная» представлено отработанными до глубины 1100 м залежами «Гнездо 1-2» и «Главная» (рис. 5.5, а).
Исследования позволили установить, что мощность ВП, изменяющаяся от 5 до 90 м, незначительно влияет (до 6%) на общий уровень напряженности вмещающего массива, а увеличение приконтурных энергетических зон происходит на величину изменения мощности отрабатываемой залежи, оставляя неизменной глубину влияния и, соответственно, значения напряжений. Это факт позволил сделать вывод, что в массиве вокруг трещин формируются аналогичные энергетические зоны с параметрами, сходными с выработанным пространством. Данный факт подтвердился результатами, полученными при исследовании состояния массива у границ полей напряжений, вызванных разрывными геологическими нарушениями.
Результаты исследований позволили разработать способ снижения горного давления для условий отработки законсервированных запасов на шахте «Юбилейная» за счет образования разгрузочных трещин. Сущность процесса разгрузки нижележащего массива заключается в надработке трещиной нижележащего участка залежи. Для ВП, имеющих выход на земную поверхность, трещину образуют в висячем боку, выше уровня его торца. Образование трещины способствует увеличению горизонтального пролета ВП и, как следствие, увеличению приконтурной энергетической зоны и перераспределению исходных полей напряжений. При этом смещение области опорного давления, которая обволакивает отрабатываемые камеры, происходит в сторону образования трещины и разгружает от горного давления очистные блоки шахты (рис. 5.5, б).
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Образование разгрузочной трещины предлагаем производить отрезными оконтуривающим скважинами с взрыванием колонковых зарядов по методике изложенной в. Наличие откаточных выработок в висячем боку ВП снижает себестоимость образования трещины и увеличивает ее длину.
1. Общая длина разгрузочной трещины, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

2. Длина участка трещины, при котором происходит изменение напряженности массива в пределах первого нижележащего этажа, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где hэт - высота отрабатываемого этажа, м; α - угол падения залежи, град.
3. Длина участка трещины, при котором происходит разгрузка второго нижележащего этажа,
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где β - угол сдвижения пород висячего бока, град.
4. Длина участка трещины, образованного взрыванием провоцирующих скважин, при котором происходит разгрузка трех и более нижележащих этажей, м
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

где lскв - длина разгрузочных скважин, м; W - линия наименьшего сопротивления взрывчатого вещества, м.
5. Закономерность количества разгружаемых этажей от длины трещины
Характеристика, влияние и способы управления техногенными нарушениями

Максимальные длины каждого участка трещины принимаются из технических возможностей станков глубокого бурения.
Снижение факторов горного давления в областях ведения горных работ путем применения предложенного технологического решения сопровождается ресурсосбережением при проведении подготовительных, нарезных и очистных работ как по законсервированным, так и по основным отрабатываемым залежам Криворожского бассейна. Образование разгрузочных трещин позволяет снизить горное давление на 30%, что способствует разгрузке до трех и более отрабатываемых этажей с применением менее металлоемкого крепления выработок, увеличить скорости их проведения и размеры очистных камер, уменьшением размеров междукамерных и междуэтажных целиков. Ожидаемый экономический эффект от снижения горного давления на подготовительные и очистные блоки составит 300 тыс. грн год. Применение предложенного технологического решения позволит повысить полноту извлечения богатых железных руд на шахтах Криворожского бассейна.