Особенности прогноза и профилактики горных ударов на Расвумчоррском руднике 'ОАО Апатит'

Особенности прогноза и профилактики горных ударов на Расвумчоррском руднике 'ОАО Апатит'

Особенности прогноза и профилактики горных ударов на Расвумчоррском руднике "ОАО Апатит"

Введение

горный геологический месторождение

Месторождения, отрабатываемые рудниками ОАО «Апатит» отнесены к склонным и опасным по горным ударам, что связано, в первую очередь, с действием в Хибинском массиве высоких горизонтальных напряжений. Этот фактор, в совокупности с увеличением глубины отработки, вносит свои особенности в формирование вторичных полей напряжений в окрестности очистного пространства.

В связи с извлечением запасов руды на верхних горизонтах, актуальной проблемой для горнодобывающего предприятия становится отработка более глубоких горизонтов, что влечет за собой рост уровня напряжений и динамических проявлений горного давления. Наиболее опасными проявлениями являются горные удары и техногенные землетрясения, действие которых приводит к разрушению выработок и угрозе жизни людей.

В настоящее время, с целью повышения безопасности производства на рудниках ОАО «Апатит» осуществляется поиск новых систем разработки, т.к. традиционная система разработки подэтажного принудительного обрушения с торцевым выпуском руды в существующих горно-геологических условиях не обеспечивает безопасность и интенсивное извлечение руды из-за разрушения выработок выпуска действием горного давления.

1. Горно-геологические и геомеханические свойства месторождения

.1 Месторождение

Расвумчоррский рудник введен в эксплуатацию в 1954 году и отрабатывает месторождение «Апатитовый Цирк» и подкарьерную часть месторождения «Плато Расвумчорр». За годы своей деятельности рудник обеспечил добычу свыше 116 млн. тонн апатито-нефелиновой руды. До 1963 года добыча руды проводилась только открытым способом, в настоящее время разработка и добыча осуществляются только подземным способом. Рудное тело месторождения «Апатитовый Цирк» имеет пластообразную форму, простирание меняется с широтного до северо-западного. Падение залежи - северо-восточное, угол падения колеблется от 15º до 50º, мощность от 40 до 150м. Месторождение вскрыто горизонтальными штольнями, в глубинной части - вертикальными стволами, квершлагами и автотранспортными уклонами. Месторождение «Плато Расвумчорр» имеет северо-западное простирание 300º - 350º, северо-восточное падение под углом 20º - 40º, горизонтальная мощность пластообразно залегающего рудного тела колеблется от 110 до 275м (средняя горизонтальная мощность - 178м)[1].

Месторождение «Апатитовый Цирк» находится на склонах горы Расвумчорр и в долине рек Юкспорйок и Гакман с абсолютными отметками поверхности от 600 до 1000м. Границы месторождения на западе с Юкспорским месторождением и на востоке с месторождением «Плато Расвумчорр» условны и проходят по линиям разведочных скважин. Месторождение «Апатитовый Цирк» является составной частью юго-западного рудного поля Хибин и находится в Кировском районе Мурманской области в 8-ми км от города Кировска[2].

1.2 Рельеф местности

Хибинский массив располагается в центральной части Кольского полуострова. В рельефе выражается сильно расчлененной горной возвышенностью, поднимающейся над равниной на 600-1000м. Он создается главным образом за счет вертикальных движений по разломам различной глубины заложения и отражает блоковые структуры земной коры в зависимости от масштаба рельефообразующего разлома. К наиболее ярким формам рельефа, связанным с вертикальными движениями, относятся тектонические уступы, представляющие собой крутые склоны. К другим характерным формам рельефа относятся глубокие вытянутые ущелья с отвесными стенками. Эти ущелья разделяют платообразные вершины гор, имеющие различные высотные отметки. И, наконец, в пределах массива развиты глубоко врезанные долины-троги (ледникового происхождения) с довольно пологими склонами[2].

1.3 Физические свойства руд и пород

В геологическом отношении Хибинский массив нефелиновых сиенитов и ийолит-уртитов, с которым, в том числе, связано месторождение апатит-нефелиновых руд «Апатитовый Цирк», представляет собой сложную многофазную щелочную интрузию центрального типа дугообразной формы, приуроченную к региональному тектоническому разлому. Внутреннее строение центральной группы месторождений неоднородно, имеет относительно простые формы залежи: четкий контакт с покрывающими породами, выдержанность по простиранию и уменьшение мощности с глубиной. Апатитовую залежь подстилают порфировидные уртиты, с подчиненными в них участками ийолитов и пегматитов. Нижний контакт неровный, извилистый, характеризующийся постепенными переходами и устанавливается только по данным опробования, отдельные тела этой залежи связаны между собой и обладают сходным строением[1].

По содержанию апатита рудные тела разделяются на богатую и бедную зоны. Богатая зона представлена пятнистыми, пятнисто-полосчатыми и брекчиевидными текстурными разновидностями и приурочена к верхнему контакту рудного тела. Бедная зона сложена линзовидно-полосчатыми, сетчатыми, мелко и крупноблоковыми рудами и тяготеет к лежачему боку[2].

Породы и руды имеют высокие показатели прочности и упругости. Предел прочности при сжатии руд составляет 80-150 МПа, пород - 120-250 МПа, при растяжении, соответственно, 3-10 МПа и 5-20 МПа. По прочности при одноосном сжатии породы и руды Хибинских месторождений подразделяются на шесть категорий (таблица 1.3.1). Модуль упругости руд равен 30-60 ГПа, пород - 50-60 ГПа. Породы и руды имеют высокие показатели коэффициента хрупкости (10-25), определяемые как отношение пределов прочности при сжатии к прочности при растяжении.

Таблица 1.3.1 Классификация пород и руд по прочности[1]

Апатито-нефелиновые руды резко отличаются от вмещающих пород. Следовательно, их можно разделить на две группы, где к первой относятся апатито-нефелиновые руды, отличающиеся пониженной прочностью, заметной остаточной деформацией и обнаруживающие отчетливую зависимость показателей свойств от количественного содержания апатита. Кроме того, рудам присуща анизотропия механических свойств, обусловленная полосчатостью. Вмещающие ийолит-уртиты и рисчорриты являются весьма крепкими и обладают упругим характером деформирования в широком диапазоне нагрузок, их можно отнести ко второй группе[2].

1.4 Трещиноватость месторождения

Трещиноватость пород на месторождении представлена четырьмя системами трещин: пологопадающими и наклонными трещинами 1-ой системы (свыше 60%) и крутопадающими трещинами 2-4-ой систем (суммарно меньше 40%). Общая трещиноватость с глубиной уменьшается. Увеличивается крутизна трещин 1-ой системы. Выделяются крупноблоковые и мелкоблоковые трещины. Крупноблоковые трещины имеют протяженность, исчисляемую сотнями и десятками метров, величина их раскрытия меняется в пределах 1-50мм, трещины заполнены гидротермальными минералами. Мелкоблоковые трещины имеют протяженность не более десятка метров. Как правило, эти трещины прослеживаются в выработках, нередко прерываясь, и переходя друг в друга. Их раскрытие составляет доли миллиметра. Некоторые из них также заполнены гидротермальными минералами. По интенсивности трещиноватости породы подразделяются на пять категорий (таблица 1.4.1).

Таблица 1.4.1 Классификация пород и руд апатито-нефелиновых месторождений по интенсивности трещиноватости

В целом превалируют слаботрещиноватые и среднетрещиноватые породы. Встречаются зоны раздробленных трещинами и окисленных руд и пород (зоны шпреуштейнизации). Доля из незначительна - 3-9% и с глубиной уменьшается.

Апатитовые месторождения центральной группы, включающее месторождение «Апатитовый Цирк», представляют собой непрерывную пластообразную залежь, осложненную раздувами (линзами) и пережимами (резким уменьшением мощности) между ними. Одно из линзообразных тел объединяет месторождения «Апатитовый Цирк» и «Плато Расвумчорр» и имеет сходство по своим морфоструктурным особенностям со второй линзой, объединяющей «Кировское» и «Юкспорское» месторождения. В плане рудное тело имеет линейно-вытянутую форму и симметричное строение. Его протяженность составляет около 11км. На этом интервале выявлена система радиальных и концентрических разломов III ранга, разделяющих массив на блоки. Радиальные разломы отстоят друг от друга на 2-2,5км, концентрические - на 3-3,5. Разломы представляют собой систему параллельных трещин, нередко ветвящихся как в плане, так и по вертикали. Часто разломы характеризуются наличием в них зон изменения пород различной интенсивности вплоть до первой переработки первичных минералов.

1.5 Напряженно-деформированное состояние (НДС) и удароопасность месторождения

Таблица 1.5.1 Напряженное состояние массива пород на отрабатываемых горизонтах Расвумчоррского рудника

σ₁, σ₂, σ₃ - проекции компонент главных напряжений (минимальной, промежуточной, максимальной) на плоскость соответствующего чертежа. В числителе приведены данные для богатых руд, в знаменателе - для бедных руд и вмещающих пород.

На всех глубоких горизонтах наблюдается явление превышения горизонтальными напряжениями вертикальных. Причем это превышение может быть весьма существенным, особенно во вмещающих породах лежачего бока (до 10 раз). Просматривается взаимосвязь горизонтальных напряжений с прочностными и деформационными свойствами пород. Более жестким, высокоупругим породам соответствует больший уровень горизонтальных напряжений. Так, величина напряжений в уртитах составляет 25-70 МПа, в рудах - 15-50 МПа.

Из общих закономерностей напряженного состояния массива пород можно отметить, что рост напряжений наблюдается с глубиной. На Расвумчоррском месторождении, в связи с относительно высокими отметками дна Расвумчоррской долины и обширным плато, окружающим с трех сторон рудник, уже горизонт +600м относится к глубинным, и поэтому параметры поля напряжений здесь, по сравнению с другими рудниками, наиболее стабильные по площади и глубине. Максимальные напряжения ориентированы в направлении, близком к простиранию рудного тела. Окисленные и раздробленные трещинами породы разгружены от тектонических напряжений. Однако они являются причиной концентрации напряжений в приконтактных с ними участках массива.

Блочное строение, высокие горизонтальные напряжения, прочные хрупкие породы позволяют отнести отрабатываемое месторождение «Апатитовый Цирк» к склонным и опасным по горным ударам. Под воздействием, с одной стороны, инженерной деятельности, связанной с разработкой месторождения, а с другой - естественных геологических процессов в земной коре, происходит либо реализация внезапных подвижек блоков по разломам относительно друг друга, либо прорастание новых трещин как внутри блоков, так и в приконтурной части выработок, что выражается в виде сейсмических событий различного энергетического уровня (от техногенных землетрясений до микроударов, а также разрушений горных выработок и целиков)[1].

Горизонты +600м и ниже Расвумчоррского рудника являются опасными по горным ударам. Наличие внешних признаков в подземных выработках, таких как шелушение и динамическое заколообразование свидетельствует об этом (таблица 1.5.2). Основными факторами удароопасности являются:

-       зона опорного давления от очистных работ (этот фактор оценивается по расстоянию от границы очистного пространства до места проявления горного удара);

-       влияние выработок друг на друга (при этом выработки считаются сближенными, если расстояние между ними меньше или равно четырем диаметрам большей из них); глубина расположения выработок от поверхности;

-       расстояния от разлома[2].

Таблица 1.5.2 Характеристика проявления внешних признаков удароопасности в выработках различной категории состояний

Категории выработкам присваиваются по результатам визуального осмотра, проводимым работником службы прогноза и предупреждения горных ударов (СППГУ):

-       один раз в полугодие - всех действующих выработок;

-       после каждого массового взрыва при этажной системе отработки;

-       при получении дополнительной информации об опасном состоянии участков месторождения при проходке или изменении горнотехнической ситуации[1].

1.6 Одновременная отработка сближенных месторождений (зона стыковки Центрального и Расвумчоррского рудников)

Напряженно-деформированное состояние (НДС) массива горных пород в пределах переходной зоны характеризуется высоким уровнем горизонтальных тектонических напряжений. Величина максимальных горизонтальных напряжений в несколько раз превосходит напряжения от собственного веса пород. Горные породы склонны к упругому деформированию с последующим хрупким разрушением, что обусловливает проявление горного давления в динамической форме как при ведении очистных работ, так и при проходке одиночных горных выработок. Отработка переходных зон встречными очистными фронтами в таких условиях приводит к наложению зон концентрации напряжений от сближенных очистных пространств, что еще более усиливает риск реализации горных и горно-тектонических ударов. Геомеханические процессы, происходящие в переходной зоне, в этом случае во многом аналогичны процессам в подземных блоках-целиках. На месторождении «Апатитовый Цирк» подземные горные работы в зоне стыковки ведутся на отметках, практически совпадающих с уровнем дна действующего карьера Центрального рудника. Максимальные главные напряжения в нетронутом массиве действуют по простиранию рудного тела (рис. 1.6.1). Особенностью данной зоны является стыковка с действующим карьером. В связи с этим важной задачей являлось управление состоянием прибортового массива, являющегося покрывающим для подземных горных работ. Поэтому необходимо было определенное время в зоне стыковки держать борт карьера в устойчивом состоянии, а затем с окончанием работ в карьере на этом участке обеспечить гарантированное самообрушение борта для создания нормальных условий для подземной разработки.

Рисунок 1.6.1 Расположение зоны стыковки в плане и направление максимальных напряжений нетронутого массива пород (а) и на разрезе по простиранию рудного тела.

После отбойки вышележащего массива руды и обеспечения самообрушения покрывающих пород дальнейшая отработка основной части запасов стыковочной зоны ведется подэтажной системой отработки в последовательности, позволяющей создавать разгрузочную зону в висячем боку рудного тела.

Многовариантными расчетами было показано, что при создании защитной зоны в висячем боку рудного тела протяженностью не менее 60 м по простиранию и заглублению ее на один подэтаж, на верхнем подэтаже напряжения снижаются как минимум до напряжений нетронутого массива, а при дальнейшем расширении защитной зоны напряжения снижаются в 3 - 8 раз (рис. 1.6.2, кривая 5) по сравнению с вариантом отработки без защитной зоны (рис. 1.6.2, кривая 2).

Рисунок 1.6.2 Изменение максимальных напряжений при уменьшении стыковочного целика: 1 - стыковка по висячему боку рудного тела выше дна карьера и напряжениях, действующих вкрест простирания; 2 - стыковка по висячему боку на уровне дна карьера и напряжениях, действующих по простиранию; 3 - стыковка по лежачему боку выше дна карьера и напряжениях, действующих вкрест простирания; 4 - стыковка по лежачему боку выше дна карьера и напряжениях, действующих по простиранию; 5 - стыковка на уровне дна карьера и напряжениях, действующих по простиранию, при создании защитной зоны в висячем боку рудного тела.

Таким образом, поддерживая необходимую конфигурацию защитной зоны, возможно отработать оставшуюся часть в практически разгруженном массиве пород. Однако следует отметить, что выработки, служащие для создания защитной зоны будут находиться в области высоких концентраций напряжений и в них должен быть предусмотрен комплекс локальных разгрузочных мероприятий и усиленного крепления. Протяженность таких выработок невелика и не превышает 10% от общего объема выработок[3].

2. Горнотехнические параметры применяемых систем разработки Расвумчоррского рудника

.1 Существующая схема вскрытия месторождения

горный геологический месторождение

Месторождение «Апатитовый Цирк» вскрыто четырьмя вертикальными стволами: вспомогательным стволом №1 (ВС №1), вспомогательным стволом №2 (ВС №2), восточным вентиляционным стволом и главным стволом. В настоящее время подземным способом отрабатываются горизонты: +600м, +530м, +470м, +450м. Планируется ввод в эксплуатацию горизонта +425м в 1-ом квартале 2013 года. Вскрытие нагорных горизонтов: +600м, +530м, +470м осуществлено погоризонтными штольнями (штольня +600м не эксплуатируется) и вспомогательным стволом №1, пройденным с поверхности до горизонта +310м в районе 11-ого геологического разреза. От ствола к запасам горизонтов +600м, +530м, +470м пройдены квершлаги. Горизонт +450м вскрыт автосъездом с отметки +470м, 11-ым квершлагом с горизонта материально-ходовой штольни (МХШ) горизонта +440м и имеет сбойки со вспомогательными стволами №1 и №2. Горизонт +425м вскрыт автосъездом 470/310, а также уклонами 450/422 №2; 450/422 бис; 450/422. Характеристика основных вскрывающих выработок представлена в таблице 2.1.1:

Таблица 2.1.1 Краткая характеристика вскрывающих выработок Расвумчоррского рудника

Материально-ходовая штольня горизонта +440м служит для перевозки людей на Расвумчоррском и Центральном рудниках, а также для прокладки коммуникаций (фидерных электрических сетей, сетей трубопроводов сжатого воздуха, водоснабжения, рудничного водоотлива и проч.).

2.2 Применяемая система разработки

В настоящее время на руднике применяется система разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды. Это связано с простотой конструктивных элементов системы, ее высокой производительностью и полной механизацией технологического процесса.

Как правило, системы подэтажного обрушения применяют на весьма мощных, реже средней мощности месторождениях. Руды при этом должны быть устойчивыми, либо средней устойчивости. Применение данных систем разработки невозможно без обеспечения гарантированного обрушения налегающих пород, которое является одним из технологических условий данных систем, при этом может применяться только нисходящий порядок отработки месторождения. Основные параметры системы разработки включают в себя:

-       расстояния между буродоставочными штреками - 16÷18м;

-       высота подэтажа - 25м;

-       длина блока по простиранию - 144÷180м;

-       ширина блока вкрест простирания равна горизонтальной мощности рудного тела;

-       толщина отбиваемого слоя руды 4÷6м, высота отбиваемого слоя руды 45м.

Подготовительные работы заключаются в последовательной проходке: подэтажных транспортных штреков, транспортных ортов, буродоставочных штреков, вентиляционных восстающих. Буродоставочные штреки располагаются по простиранию, либо вкрест простирания, в зависимости от мощности отрабатываемого рудного тела. При подэтажном обрушении начало очистных работ на каждом подэтаже начинается с разделки отрезной щели. В первую очередь проходится отрезная выработка, из которой проходится отрезной восстающий. На восстающий разделывается отрезная щель, затем на отрезную щель отбивается первый слой руды, которая по мере выпуска заполняется пустыми породами. Далее отбойка осуществляется на обрушенный массив. Отработка очистного блока, как указывалось выше, производится в нисходящем порядке.

В настоящее время на добычных горизонтах рудника выше отметки +470м основные запасы отработаны, и горные работы ведутся в восточной части месторождения в стыковочной зоне с карьером «Центральный». Для поддержания стабильной производительности рудника необходимо вводить мощности на горизонтах +470 ÷ +310м. Следует отметить, что с увеличением глубины ведения горных работ, мощность рудного тела уменьшается. На некоторых геологических разрезах на отметке +310м она составляет менее 20м, а угол падения менее 25º. В данных условиях применение системы разработки с обрушением становится нецелесообразным и экономически не выгодным из-за возрастающих потерь и разубоживания, которые в данных условиях могут достигать 40-50%.

Принимая во внимание фактические горно-геологические (постоянные факторы) и горнотехнические условия, а также переменные факторы (устойчивость руд и пород, ценность руд, физико-механические свойства и т.д.), присущие данному месторождению, для отработки запасов ниже горизонта +470м рекомендуется применение двух систем разработки: подэтажного обрушения с торцевым выпуском; камерно-целиковой системы разработки. Вторая имеет целесообразность при отработке рудных тел, имеющих недостаточно большую мощность, т.к. при увеличении мощности рудного тела потери в целиках возрастают. Западный участок горизонтов +450 м, +425м, +310м это как раз тот случай, где целесообразно применить обе вышеперечисленные системы разработки, т.к. параметры залегания рудного тела полностью не соответствуют условиям применения какой-либо одной из них. Камерно-целиковая система разработки имеет следующие параметры:

-       расстояния между погрузочными заездами в траншее - 15÷18м;

-       траншеи располагаются по простиранию;

-       высота подэтажа - 15м;

-       расстояния между буровыми штреками - 20÷30м;

-       буровые штреки располагаются по простиранию;

-       длина блока по простиранию - 144÷180м;

-       целики не извлекаются.

Подготовительные работы заключаются в последовательной проходке: подэтажных транспортных штреков, транспортных ортов, буровых, буродоставочных и траншейных штреков, погрузочных заездов, рудоспусков и вентиляционных восстающих. Буродоставочные штреки и траншеи располагаются по простиранию. Очистные работы на каждом подэтаже начинаются с разделки отрезной щели. Далее отбойка осуществляется на ранее созданное компенсационное пространство. Отработка очистного блока производится в нисходящем порядке.

Поскольку камерно-целиковая система в ОАО «Апатит» ранее не применялась, ее внедрение возможно после проведения опытно-промышленных испытаний на Расвумчоррском руднике с целью отработки параметров, проверки устойчивости межкамерных целиков и возможности заполнения камеры пустой породой от проходки[5].

2.3 Основные направления развития подземных горных работ

Всю подземную добычу в 2013 году планируется отработать системой подэтажного принудительного обрушения со скважинной отбойкой и доставкой руды в рудоспуски самоходным оборудованием (ПДМ). Блоки при этой системе разделываются на подэтажи, количество подэтажей, в зависимости от контура рудного тела может быть один и более. Днища блоков подготавливаются откаточными и транспортными выработками (орты, штреки), проходятся камеры рудоспусков через 50-150м, монтируются люковые камеры, ниши вибропитателей, проходятся рудоспуски на подэтажи. На подэтажах проходятся вентиляционно-транспортные выработки сечением 4,6*4,0; 5,1*4,5 и 5,1*4,05, из вентиляционно-транспортных выработок нарезаются буро-доставочные орты и штреки сечением 4,6*4,0 и 5,1*4,5, в которых производится бурение взрывных скважин, их отбойка, выпуск и доставка руды в участковые рудоскаты с помощью ПДМ (погрузочно-доставочные машины).

Для бурения взрывных скважин используются буровые установки «Симба», диаметр скважин 102мм.

Отбойка горной массы при проходке горных выработок, проходимых буровыми установками «Миниматик» (Аксера) и Boomer, а также отбойка глубоких скважин будет производиться с использованием применяемых на сегодняшний день ЭВВ «Сабтэк», с частичным применением штатных ВВ в количестве утвержденном целевой программой по «внедрению эмульсионных взрывчатых веществ в условиях подземных рудников ОАО «Апатит».

Зарядка глубоких скважин будет осуществляться самоходными зарядными установками «Charmec-1610B», а зарядка шпуров на проходческих работах - установками «Charmec-1605». На СЗУ (смесительно-зарядное устройство) смонтировано навесное зарядное оборудование фирмы «Орика».

Отбитая руда по горизонтам +530м и +470м доставляется электровозами К-14 с прицепленными 10-12 вагонами ВГ-4,5 на опрокиды №№ 1-4, пустая порода - на рудоспуски №3, №4 и внутренний отвал горизонта +470м. В капитальной штольне горизонта +431м руда через капитальные рудоспуски № 1, 2, 3, 4, оборудованные люками загружается в 100-тонные думпкары и перевозится на обогатительные фабрики №2 и №3.

Система разработки с торцевым выпуском применяется на блоках 1/2П горизонта +600м; 0/2, 0/2П, 4/10 горизонта +530м; 1/6 горизонта +470м; 7/10, 10/13, 13/15 горизонта +450м; 8/10 горизонта +425м.

Для развития производительности рудника предусмотрена проходка подготовительных и нарезных выработок в районе разрезов 7÷10; 10÷13; 13÷15 горизонтов +450м и +425м. Для этой цели пройдены конвейерные орты №1 и №2 на отметке +425м. Произведен монтаж подающих конвейеров №1 и №2.

Доставка руды от забоев до участковых рудоспусков или приемных бункеров дробилок осуществляется с помощью ПДМ типа ТОРО-400Е, ТОРО-1400Е, ST-14, ТОРО-007, ST-1030 с емкостью ковша от 4,3 до 6,0м³[6].

2.4 Анализ влияния горнотехнических параметров отработки месторождения на его удароопасность

Несомненно, наведенные технические процессы, вызванные производственно-инженерной деятельностью людей, приводят к увеличению напряжений в приконтурных частях выработок. Также повышение этих напряжений напрямую связано с увеличением глубины разработки горизонтов Расвумчоррского рудника от дневной поверхности. Исходя из этих особенностей угроза динамических проявлений горного давления, одними из которых являются горные удары, возрастает.

С учетом вышеизложенного, можно сформулировать основные требования к системе разработки месторождения «Апатитовый Цирк», которая будет представлять интенсивную и безопасную отработку запасов в условиях высокого горного давления:

-       система разработки должна иметь минимальное количество выработок с максимально возможными размерами целиков между ними;

-       система разработки должна позволять оперативно влиять на проблемы, связанные с горным давлением локальными методами, такими как: бурение разгрузочных строчек механизированным способом, возможность быстрого ремонта и возведения нового крепления;

-       система разработки должна позволять гибко осуществлять региональные воздействия на отрабатываемый массив с целью снижения отрицательных влияний тектонических напряжений (порядок развития горизонтов, подработка покрывающих пород, отрезка от действующих тектонических напряжений)[7].

3. Профилактические мероприятия по предупреждению горных ударов на Расвумчоррском руднике ОАО «Апатит»

В связи с высокой востребованностью оценки геомеханического состояния массива с целью борьбы с проявлениями горного давления на горнодобывающих предприятиях, создано множество различных методик и способов, которые оценивают различные стороны геомеханических процессов. На подземных рудниках ОАО «Апатит» утверждены и применяются следующие методики геомеханической оценки массива, которые относятся к региональному и локальному прогнозам удароопасности.

Региональный прогноз удароопасности производится с целью выделения зон потенциальной удароопасности и категории состояния выработок в пределах шахтного поля, горизонта или отрабатываемого блока и выполняется с помощью следующих методов:

.        аналитическое (численное) моделирование напряженного состояния (экспертная система);

.        визуальное обследование горных выработок;

.        экспертная оценка состояния массива и отдельных участков выработки;

.        прогноз региональной удароопасности по результатам непрерывного контроля сейсмичности массива горных пород;

.        геодинамическое и геомеханическое районирование;

.        наблюдения по сетям локальных станций контроля удароопасности.

Локальный прогноз выполняется в приконтурной части отдельных выработок и целиков по данным, полученным на замерных станциях, с целью определения непосредственной опасности проявления горного удара. Локальный прогноз проводится инструментальными методами, среди которых для условий Хибинских апатитовых рудников рекомендованы следующие:

.        дискования керна (МДК);

.        контроля разрушения стенок скважин замерных станций (КРС);

.        ультразвукового метода (УЗМ);

.        прогноз по опережающей скважине (ПОС)[1].

При обосновании выбора технологии отработки новых горизонтов или блоков важной задачей является проведение оценки геомеханического состояния рассматриваемого массива. Для выполнения этой задачи необходимо оценить возможности существующих методик. Рассмотрим некоторые из них:

3.1 Локальные методы противоударных мероприятий

Устойчивое состояние массива и отдельных выработок определяется физическими свойствами и структурой слагающих месторождение горных пород и величиной действующих напряжений. Исходя из классификации руд и пород по прочности (табл. 1.3.1) и интенсивности трещиноватости (табл. 1.4.1), оценивается устойчивость приконтурной части массива (таблица 3.1.1)

Таблица 3.1.1 Классификация пород и руд апатито-нефелиновых месторождений по устойчивости

На основании оценки устойчивости и наличия на контуре выработки внешних признаков удароопасности определяется категория состояния данной выработки (табл. 1.5.2). Из них категория состояния «Д» определяется по результатам экспертной оценки, а категория удароопасности «Опасно» - по результатам локального прогноза инструментальными методами. Для локального прогноза удароопасности утвержденными методами необходимо бурение контрольных шпуров и скважин (замерных станций). В зависимости от состояния приконтурной части массива могут применяться следующие схемы заложения замерных станций:

Если контур разрушается равномерно, используется схема скважин, обуренных через 22,5º (рис. 3.1.2 а).

Когда на контуре отмечается явно выраженное куполение, рекомендуется схема с тремя скважинами (рис. 3.1.2 б).

Порядок бурения следующий: вначале бурится скважина в зону максимальных разрушений, а затем смежные, заложенные под углом 22,5ºпо отношению к первой.

Рисунок 3.1.2 Типовые схемы замерной станции для определения категории удароопасности выработки: при равномерном разрушении контура выработки (а); при хорошо выраженном месте максимального разрушения контура (б)

Из рисунка видно, что 3/1(90) - обозначение скважины: 3 - номер скважины; 1 - номер станции; 90º - угол наклона скважины.

В случае установления категории «Опасно» в двух смежных скважинах, категория «Опасно» считается определенной для всей замерной станции и соответствующего участка выработки, дополнительные скважины не бурят, если это не требуется для уточнения контура удароопасной зоны[1].

Одним из методов локальных противоударных мероприятий является контроль за разрушением этих скважин (замерных станций), а сокращенно КРС. Он базируется на эффекте разрушения стенок скважин в зонах высокой концентрации напряжений около горных выработок или в массиве пород. От встречающегося разрушения скважин в зонах повышенной трещиноватости указанный эффект отличается тем, что разрушение захватывает не весь контур равномерно, а имеет ярко выраженные максимумы в двух диаметрально противоположных стенках. Для пород Хибинских месторождений, включая месторождение «Апатитовый Цирк», установлено, что разрушение стенок скважин начинается при условии превышения максимальными нормальными напряжениями предела прочности на одноосное сжатие .

Контроль разрушения стенок скважин с целью оценки удароопасности осуществляется измерениями на стандартной станции (рис. 3.1.2). Измерения производятся по шпурам и скважинам любого диаметра. Эти измерения производятся с помощью специального малогабаритного измерительного комплекса КРС (рис. 3.1.3):

Рисунок 3.1.3 Измерительный комплекс КРС

В состав измерительного комплекса КРС входят: профилемер, цифровой измерительный прибор, набор досылочных штанг. После проведения измерений можно по специальной номограмме (рис. 3.1.4) непосредственно в выработке оценить категорию удароопасности[8].

Для каждой скважины с целью определения категории удароопасности, откладывают по оси ординат величину U₁, равную отношению длины дорожки разрушения L_дор к диаметру выработки D_выр, а по оси абсцисс величину U₂ отношения максимума разрушения X_max за вычетом приконтурной зоны разрушенных пород X_p к D_выр. Точки начала и конца «дорожки» определяются для Расвумчоррского рудника по следующим пороговым значениям отношения глубины дорожки к диаметру скважины D_c: для вмещающих пород и руд с содержанием апатита до 45%; для руд с содержанием апатита больше 45%.

Также категорию удароопасности можно определить расчетным путем:

категория «Опасно» при выполнении условия:

.

категория «Неопасно» при:

.

Рисунок 3.1.4 Номограмма для определения категории удароопасности по разрушению скважин

При интенсивных проявлениях внешних признаков удароопасности в районе замерной станции и невозможности безопасного проведения инструментальной оценки допускается применение визуальной оценки протяженности дорожки и расположения максимума разрушения для определения категории удароопасности. Повторные измерения методами КРС по одним и тем же скважинам могут быть применены в случаях увеличения напряжений при ведении горных работ[1].

Данный метод локальных мероприятий прогноза разрушений горных выработок является наиболее простым и реально используемым в службах ППГУ рудников ОАО «Апатит», однако тяжело применим при интенсивных проявлениях внешних признаков удароопасности, а именно в выработках, отнесенным к категориям состояний «Г» и «Д».

3.2 Региональные методы противоударных мероприятий

Основной задачей регионального прогноза удароопасности является выявление зон повышенной потенциальной опасности разрушения массива для своевременного вывода людей и оборудования. Региональный прогноз включает установление или прогноз категории состояния выработок и участков массива, определяемой совместно устойчивостью пород и напряженным состоянием приконтурной зоны выработок и целиков. Категории состояния выработок характеризуют напряженное состояние приконтурного массива и возможные формы проявлений горного давления. Рассмотрим методы региональных противоударных мероприятий[7], [9]:

3.2.1 Методика визуального осмотра горных выработок

Приближенная оценка величины напряжений в пределах обследуемого участка может быть получена на основе анализа трещиноватости массива, внешних признаков удароопасности и других разрушений, возникающих на контуре выработок или скважин, а направление действия этих напряжений устанавливается по расположению зоны максимальных напряжений. Важным преимуществом данного способа является то, что он не требует использования сложного оборудования, и позволяет в короткий срок провести анализ состояния массива на большой площади, в пределах которого имеются горные выработки. При охвате наблюдениями больших участков массива, получаемая информация обладает достаточно высокой надежностью и представительностью, поэтому визуальное обследование является одним из экспрессных методов регионального прогноза[1].

В целом, визуальный осмотр информативен, а при интерполяции базового материала дает возможность прогнозировать поведение, как самого массива, так и его приконтурной части в процессе продвижения отбойки или при проходке выработок вне зоны влияния очистных работ. Фотосъемка, сопровождающая визуальное обследование, позволяет оценивать происходящие изменения, намечать места заложения замерных станций, разгрузочных строчек, разрабатывать мероприятия по созданию безопасных условий эксплуатации.

Недостатком данного метода является субъективность визуальной оценки. Это проявляется в индивидуальной интерпретации понятий проявления горного давления, например, динамическое заколообразование или интенсивное заколообразование не определяются конкретными величинами, следовательно, применять одно и то же понятие можно при различных вариантах состояния выработки. Определение категории состояния выработок во многом зависит от временного периода осмотра. Так, например, до бурения разгрузочных скважин и торкретирования выработка имела состояние категории «Г», после разгрузки - категорию «В», а после разгрузки и торкретирования - «А», следовательно, результатом визуального осмотра будет состояние выработки только на рассматриваемый момент времени, что не отражает в полной мере динамику изменения НДС массива. Также сложно оценивать изменение состояния выработки в зависимости от состояния покрывающих пород за длительный период времени (5-10 лет). Эти сложности возникают по причине того, что данные визуального осмотра не отражают горно-тектоническую ситуацию в массиве на момент наблюдения[7], [9].

3.2.2 Методика прогноза региональной удароопасности по результатам непрерывного контроля сейсмичности

Контроль над сейсмическими событиями, происходящими на рудниках ОАО «Апатит» осуществляет центр геофизического мониторинга (ЦГМ). В ЦГМ используется два вида анализа сейсмичности:

Долгосрочный анализ, направленный на выявление устойчивых зон повышенной сейсмоактивности массива для планирования горных работ, профилактических и противоударных мероприятий;

Региональный прогноз с целью выявления зон повышенной региональной удароопасности, иногда краткосрочных, для обеспечения безопасности текущих горных работ.

Данные сейсмической активности необходимы для проведения геомеханической оценки массива, т.к. сейсмические события являются фактическим проявлением изменения НДС.

При выделении устойчивых зон повышенной сейсмоактивности входными параметрами являются: время, координаты и энергия сейсмических событий, отражающих процессы трещинообразования в контролируемом участке массива пород. Выделение зон повышенной сейсмоактивности производится за длительный период (2-48 месяцев), причем среднее длительное должно превышать временной интервал карт не менее чем в 3 раза.

Среднедлительный параметр сейсмичности S_ср - суммарная длина трещин, отнесенная к объему зоны регистрации и длительности:

где E - энергия события (Дж); V_з - объем зоны регистрации (км³); Т_д - временной интервал для оценки среднего длительного (сутки).

Перемещая окно высотой, равной высоте этажа и со стороной по горизонтали 50м с шагом 50м, в пределах исследуемой зоны для каждого положения рассчитываются значения S. Карты устойчивых зон повышенной сейсмичности зон строятся в изолиниях, причем изолиниями оконтуриваются районы, удовлетворяющие условиям:

Нижний: среднее длительное + стандартное отклонение * К1

Верхний: среднее длительное + стандартное отклонение * К2

При значениях К1 = 1, К2 = 3 по закону нормального распределения изолиния нижнего уровня оконтуривает зону повышенной сейсмоактивности с вероятностью 0.7, верхнего уровня с вероятностью 0.9[9].

Недостатками методики ЦГМ являются отсутствие возможности определить:

природу очага и механизм сейсмического события;

оценить динамику изменения сейсмичности во времени (стабильная, растущая, затухающая);

оценить влияние интенсивности горных работ на макроскопическую устойчивость пород;

идентифицировать сейсмически активные геологические структуры;

выявить изменения подвижности границ блоковых структур по мере приближения к ним фронта очистных работ.

Для обеспечения более точной и полной информации о сейсмической активности, действующей на подэтаже, целесообразно выделять сейсмические события, которые произошли в пределах рассматриваемой области. Поэтому для расчета устойчивых зон интервал окна на высоту этажа, используемый в методике, слишком велик и не подходит для оценки распределения сейсмической активности. В следствие этого построение карт устойчивых зон повышенной сейсмоактивности в данной работе принято проводить следующим способом: для каждого подэтажа рассматриваются сейсмические события за год с Е >10³ Дж, окно для расчета значения S принимаются со следующими параметрами сторон: по горизонтали - 50м, по вертикали - 25м (от подэтажа отступается по 12,5м вверх и вниз по вертикали). Это позволит более точно оценивать распределение сейсмической активности на подэтаже[7], [9].

3.2.3 Методика математического моделирования в экспертной системе SIGMA 3D

Экспертная система SIGMA 3D разработана Горным Институтом КНЦ РАН под руководством доктора технических наук, профессора Козырева А.А. для оценки геомеханической ситуации в районе ведения горных работ. Математическое моделирование среды в этой системе основано на методе конечных элементов. Расчетные области представляют собой параллелепипеды, боковые грани которых ориентированы перпендикулярно действующим в массиве горизонтальным главным напряжениям. Нагружение модели осуществляется собственным весом пород и приложенными к взаимно перпендикулярным граням тектоническими силами. В основе расчетов заложены основные свойства руд и пород, слагающих рассматриваемый массив, а также граничные условия в виде действующих напряжений. Результатами моделирования являются обоснование и выбор наиболее рационального порядка развития работ с точки зрения минимизации возможных проявлений горного давления.

Экспертная система позволяет исключить субъективный фактор при интерполяции имеющихся данных, дает качественный и количественный мониторинг геодинамической ситуации при изменении границ отбойки. Метод находится в стадии освоения, особенно в условиях Расвумчоррского рудника, где массив в значительной степени изрезан разломами, влияние которых еще слабо изучено. Настоящее применение экспертной системы требует дальнейшей доработки путем сопоставительного анализа, в том числе и с результатами визуального обследования, а значит, сохраняется необходимость авторского сопровождения со стороны специалистов ГОИ КНЦ РАН[8].

3.3 Пути совершенствования противоударной профилактики

Предварительная оценка и прогнозирование условий возникновения горных ударов имеет большое значение для создания безопасных условий труда и разработки профилактических мероприятий по предупреждению (или снижению) опасности их проявлений. Работы по прогнозированию горных ударов должны проводиться как на стадиях разведки и инженерно-геологических изысканий, так и в периоды строительства рудника и эксплуатации месторождения[10].

Многолетние неудачные попытки поиска прогностических признаков землетрясений и горных ударов показали исключительную сложность такой задачи и необходимость комплексного применения всех возможных геофизических методов, позволяющих вовремя зарегистрировать изменения параметров горного массива, наблюдаемых в течение длительного календарного времени. Сложность подобных измерительных информационных систем состоит в разномасштабности одновременно измеряемых величин.

Наиболее перспективен подход, основанный на создании модели строения и поведения массива горных пород при отработке месторождений, позволяющей комплексировать результаты, полученные несколькими методами и выдающей увязанную во времени информацию, обработка которой поддается автоматизации. Комплексная модель должна иметь в своей структуре рассмотренные в данной работе методики геомеханической оценки, которые необходимо усовершенствовать согласно следующим рекомендациям:

для экспертной системы нужно расширить расчетные границы блока, учитывать тектонические нарушения и блочную структуру массива;

для методики визуального осмотра необходимо учитывать состояние выработок в различные временные периоды и унифицировать критерии оценки;

для методики регионального прогноза удароопасности на основе регистрации сейсмичности нужно получить возможность выделять необходимые пространственные области распространения сейсмической активности, а также оценивать природу очага и механизм сейсмического события, динамику изменения сейсмичности во времени, влияние интенсивности горных работ на макроскопическую устойчивость пород, идентифицировать сейсмически активные геологические структуры и выявлять изменения подвижности границ блоковых структур по мере приближения к ним фронта очистных работ[1], [7], [9].

Заключение

Оценив возможности следующих методик, можно сделать вывод, что каждая методика отражает разные стороны геомеханического процесса. Следовательно, включая мою субъективную оценку, для получения более полной и достоверной информации стоит объединить все три варианта в комплексную методику оценки, при этом основным методом можно принять экспертную систему Sigma 3D, как математический предпроектный расчет, а сейсмический мониторинг и данные визуального осмотра использовать как дополнительные методики, данные которых в процессе эксплуатации блока будут уточнять локальные области изменения НДС и позволят вносить изменения в проектные решения с целью улучшения условий отработки блоков.

Список литературы

.Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатито-нефелиновые месторождения) (Открытое акционерное общество «Апатит») / Коллектив авторов // Горный институт КНЦ РАН; ОАО «Апатит» - Апатиты, 2010, 117с.

.Тряпицин В.М., Шабаров А.Н. Современная тектоника и геодинамика Хибин. - Кострома, 2007, 146с.

.Свинин В.С. Геомеханическое обоснование технологии и систем контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Апатиты, 2003, 27с.

.Рыбин В.В. Профилактика горных ударов при отработке запасов переходной зоны между Расвумчоррским и Центральным рудниками в удароопасных условиях // Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах. - Апатиты, 1998, с.227-236.

.Зилеев А.Г. Регламент на проектирование отработки запасов месторождения Апатитовый Цирк и подкарьерной части месторождения Плато Расвумчорр Расвумчоррским рудником до горизонта +310м. - Санкт-Петербург, 2010, 200с.

.План развития горных работ Расвумчоррского рудника на 2013 год / Коллектив авторов // ОАО «Апатит» - Кировск, 2012, 137с.

.Панин В.И. Исследование закономерностей перераспределения полей напряжений при отработке глубоких горизонтов подземных рудников ОАО «Апатит» и разработка экспертных систем выбора технических решений по повышению безопасности и эффективности горных работ // Заключительный отчет по договору №26107. - Горный институт КНЦ РАН - Апатиты, 2012, 30с.

.Руководство по региональному прогнозу удароопасности на основе непрерывной регистрации сейсмичности в условиях Объединенного Кировского рудника / Коллектив авторов // ОАО «Апатит» - Кировск, 2007, 33с.

.Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. - М: Недра, 1990, 176с.

1.  ено н