Формы динамических проявлений горного давления

Физические процессы

Лекция 17.

2 часа

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

В МАССИВАХ ПОРОД. ГОРНЫЕ УДАРЫ.

Общие сведения.

Наряду со статическими формами проявлений горного давления, в массивах горных пород могут происходить динамические, внезапные разрушения участков массива пород, находящихся в определенных условиях напряженного состояния при больших действующих напряжениях. В естественной обстановке к подобным динамическим явлениям в земной коре относятся землетрясения. При ведении же горных работ таковыми являются шелушения горных пород, стреляния, динамическое заколообразование,толчки,горные удары, горно-тектонические удары, техногенные землетрясения.

Отдельно – внезапные выбросы пород и газа – газодинамические явления.

В первую очередь рассмотрим виды динамических проявлений, которые относятся к чисто динамическому типу, в отличие от газодинамического типа - выбросов газа и пород.

С физической точки зрения все динамические проявления представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в том или ином объёме массива.

Как правило, динамическим проявлениям предшествует усиление давления на крепь и целики, а после их реализации увеличивается напряжённость массива пород на смежных участках. В ряде случаев динамическим проявлениям сопутствует вспучивание почвы и выдавливание пород в выработку.

Необходимо отметить, что в практике горного дела до недавнего времени все динамические явления называли горными ударами, без выделения различных видов. Это обусловлено единой физической сущностью всех указанных явлений, отличия заключаются, главным образом, в величинах выделяющейся энергии и размерах областей массива, затронутых явлениями.

На рис.17.1 в качестве примера приведен вид горной выработки после горного удара на одной из шахт в Чехословакии.

Фото, рис.140, стр.402, Основы

Рис 17.1. Вид выработки после горного удара на шахте Готвальд 1, глубина 480 м (фотоснимок докт. - инж. Э Бека, ЧССР).

Первые сведения о горных ударах, произошедших на оловянных рудниках Англии, относятся к 1738 г. Во второй половине XIX в горные удары стали отмечаться при разработке угольных месторождений в странах Западной Европы. С этого времени проблеме горных ударов стали уделять все возрастающее внимание.

В СССР первые горные удары были отмечены в 1944 г на шахтах Кизеловского каменноугольного бассейна, отличающегося высокой прочностью и упругостью углей ([(s_сж] = 300 - 600 кгс/см²) и вмещающих пород - кварцевых песчаников ([s_сж] = 1500 - 2500 кгс/см²) - при сильной тектонической нарушенности массива.

Изучение причин, условий и механизма динамических проявлений горного давления и разработка эффективных способов их прогнозирования, мер предупреждения и локализации является важнейшей задачей геомеханики, актуальность которой все время повышается в связи с ростом глубин разработки полезных ископаемых и повышением степени напряжённости массивов пород, в которых производятся горные работы.

Формы динамических проявлений горного давления.

Динамические проявления горного давления могут приобретать разнообразные формы, в зависимости от конкретных условий, на разных стадиях развития горных работ. Они могут происходить как в выработках, пройденных по полезному ископаемому, так и во вмещающих породах. Разрушению подвергаются вмещающие породы, как кровли, так и почвы. Наблюдаются динамические проявления в краевой части массива полезного ископаемого, а также и в целиках. В ряде случаев они возникают в целиках, расположенных в выработанном пространстве, на том или ином удалении от участков ведения горных работ, иногда даже в целиках ранее отработанных горизонтов.

На рис 17.2 в качестве примера показан участок разработки на шахте им Урицкого (Кизеловский бассейн), где произошел горный удар при отработке надштрековых целиков (1951 г.).

Рис 17.2 Проявление горных ударов при отработке целиков (Кизеловский угольный бассейн, шахта им Урицкого)

1 - место и дата горного удара; 2 целики, отработанные до момента горного удара; 3 - выработанное пространство.

В момент удара забой по извлекаемому целику на несколько метров отставал от очистного забоя лавы нижележащего горизонта. Удар сопровождался резким звуком, образованием большого количества пыли и сильным сотрясением окружающего массива. В результате удара на протяжении 40 м штрек оказался заваленным углем, выброшенным из надштрековых целиков. Крепь штрека разрушилась. Целик, в котором вели взрывные работы, разрушился почти полностью. Между ним и кровлей образовалось пространство высотой 0,3 - 0 4 м. Два соседних целика разрушились частично. Уголь в раздавленных целиках был сильно трещиноват, легко разбирался рукой, представляя собой скользкие блестящие чечевицеобразные куски.

Горные удары часто случаются в сближенных пластах при ведении горных работ по одному из них.

Таким примером может служить удар на шахте Хаузхам в Верхней Баварии (ФРГ), происшедший на глубине 760 м на участке разработки двух сближенных угольных пластов пологого падения с мощностью междупластья 5 м.

Верхний пласт был отработан, однако в нем имелась зона выклинивания по простиранию шириной от 15 до 30 м, которая при разработке осталась нетронутой, в результате чего образовался породный целик. По нижнему пласту вели проходку восстающей выработки. При приближении забоя выработки к зоне влияния целика по верхнему пласту добываемость угля и пород улучшилась настолько, что можно было отбивать породу без взрывных работ. Уголь отжимался от забоя и крошился. Наряду с отжимом из забоя наблюдалось интенсивное сдвижение угля с боков выработки. Со стороны почвы пласта впереди забоя выработки за несколько дней до удара появились сильные трески.

Горный удар в выработке произошел, когда она на протяжении около 25 м находилась в зоне влияния целика по верхнему пласту. В результате удара была повреждена и сильно деформирована металлическая крепь четырех рам на участке протяженностью около 6 м от забоя. Удару сопутствовали воздушная волна и образование большого количества пыли. Почва и кровля в выработке не нарушились, а интенсивное сближение стенок продолжалось и после удара. В результате через полдня ножки металлических рам крепи сблизились у почвы до 0,8 м, а через сутки все сечение выработки в интервале 19 м полностью было заполнено углем и породой. Крепь, рештаки конвейера, трубы и рельсы были сжаты и деформированы.

При восстановительных работах было отмечено, что смещение стенок выработок произошло сплошным массивом. При бурении в сторону одной из стенок на расстоянии 0,5 - 1 м от нее была обнаружена трещина шириной 0,5 м, заполненная разрыхленным углем.

Горные удары происходят также и в очистных забоях.

В качестве одного из характерных примеров можно привести горный удар на шахте Конкордия в Рейнско-Вестфальском районе.

Разработку каменноугольного пласта Жирондель мощностью 1,35 м вели сплошной системой при скорости подвигания забоя 2 м/сут. Кровля и почва пласта представлены мощными слоями монолитных песчаников. Рабочее пространство крепили деревянными стойками с перекладинами по простиранию. Управление кровлей осуществлялось частичной закладкой с выкладкой бутовых полос.

Удар произошел на глубине около 800 м в добычную смену и повлек человеческие жертвы. Схема участка горного удара показана на рис 17.3.

Рис. 17.3. Разрушение при горном ударе в очистном забое (ФРГ, шахта Конкордия).

1 - линия забоя, 2 - линия выброса угля при ударе, 3 - граница развала выброшенного угля.

Протяженность участка удара по фронту забоя составила 25 м. При ударе в рабочее пространство было выброшено большое количество угля. В верхней части пласта по границе с кровлей образовалась щель высотой 0,15 м и глубиной около 3 м. Над пластом Жирондель на расстоянии 260 м разрабатывали другой пласт, но его разработка не оказала защитного действия пласта.

Причиной горного удара в рассматриваемом случае явилось наличие прочных пород кровли и почвы, зависание кровли на большой площади и создание высокого опорного давления не краевую часть разрабатываемого пласта.

Рассмотренные примеры горных ударов относятся к каменноугольным месторождениям. Однако динамические явления проявляются и при разработке рудных месторождений, особенно на больших глубинах.

Интенсивные горные удары происходят в рудном районе Пшибрам (ЧССР), где ведут разработку полиметаллических жильных месторождений на глубинах до 1800 м. Горные удары проявляются при разработке свинцово цинковых руд в Австрии, на медных рудниках США, медно никелевых и золотых рудниках Канады и др. На наиболее глубоких в мире золотых рудниках Коларского района в Индии и рудниках Витватерсранд в ЮАР, где глубина горных pa6oт достигла 3400 м, произошло множество сильных горных ударов.

Так, огромной силы горный удар произошел в 1960 г. при разработке золоторудного месторождения Колар (Индия), представленного обособленными кварцевыми жилами мощностью от 0.9' до 1,7 м с углами падения от 40 - 50 (вблизи поверхности) до 85° (на нижних горизонтах). Удар был инициирован взрывными работами. Вслед за первым ударом в течение 21 суток произошло более 200 повторных ударов, вызвавших разрушение подземных выработок на участке размерами около 700 м по простиранию и 580 м по вертикали.

Из книги: Горное производство цветной металлургии Урала, Изд. Уральской государственной горно-геологической академии, Екатеринбург, 2004. – 666 с.

Проблема горных ударов на Северо Уральских Бокситовых Рудниках (на СУБРе) возникла в 1972 г. и потребовала принципиально нового подхода к решению вопросов безопасности разработки месторождений, которые сейчас признаются одними из самых удароопасных в мире. Впервые горные удары проявились на глубине 350-400 м. Зарегистрировано 358 горных ударов с разрушениями в действующих выработках. Сейсмическая энергия наиболее сильных из них превышала 10⁸ Дж. Сейсмостанция «Североуральск» ежегодно регистрирует в пределах шахтных полей более 1000 сейсмических явлений, которые, по сути, являются различными формами динамического проявления горного давления. В последние годы достигнуто значительное снижение среднегодового количества горных ударов.

Одни из самых сильных горных ударов в мировой горной практике, а в последнее время и техногенных землетрясений, произошли на соляных рудниках. Площадь разрушения горных выработок достигала в отдельных случаях 1 - З млн.м². Сейсмический эффект при этом отмечали в радиусе нескольких сотен километров от эпицентра горного удара.

Например, горный удар в 1958 г. на руднике им. Тельмана калийного комбината Верра в ГДР был зарегистрирован сейсмическими станциями в Москве, Турции, Испании. Горные удары на руднике “Киркланд-Лейк” (Канада) ощущались сейсмическими станциями на расстоянии более 900 км.

В январе 1986 г. в результате горного удара произошёл прорыв вод в горные выработки рудника Третьего Березниковского калийного рудоуправления (БКРУ-3), в результате чего рудник был затоплен.

25 октября 1993 г. на Верхнекамье зарегистрировано землетрясение силой 4 балла по шкале Рихтера с эпицентром юго-западнее затопленного рудника БКРУ-3.

5 января 1995 г. в г. Соликамске и его окрестностях ощущалось землетрясение силою 5 баллов. За несколько минут земная поверхность на площади 600х700 м² опустилась на глубину 3.0-4.5 м. В районе 1-ой и 2-ой северо-восточных панелей Второго Соликамского рудника обрушились междукамерные целики и междупластовые потолочины, причём их обрушение сопровождалось газодинамическими явлениями с выделением около 1 млн. м³ газа, локальными взрывами и пожарами.

Из статьи В.Е. Мараков, Л.О. Тенисон «Опыт применения зон смягчения при ведении горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей» Маркшейдерский вестник, №3, 2006, 40-43.

Соляная толща Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) и её основная часть - сильвинитовая зона представляет собой линзообразное тело, залегающее в толще терригенно-карбонатных пород. Промышленными пластами на ВКМКС являются сильвинитовые АБ и КрII и карналлитовый пласт В, представленный на отдельных участках месторождения сильвинитом.

Прямо над соляной толщей располагаются водоносные горизонты, образуя на контакте соляных и покровных пород так называемый рассольный горизонт. Непосредственно в кровле промышленных соляных пластов расположены прослои каменной соли, чередующиеся с пластами калийно-магниевых солей и мергеля, которые представляют собой безводную и водонепроницаемую часть геологического разреза, называемую водозащитной толщей. В настоящее время по строению и составу пород в водозащитной толще выделяют три части: нижняя (ВЗТ₁|) - представленная чередованием пластов калийно-магниевых солей и каменной соли, средняя (ВЗТ₂) -сложенная покровной каменной солью, и верхняя (ВЗТ₃) - представленная ритмично чередующимися между собой пластами мергелей и каменной соли

Единственной системой разработки, получившей распространение на Верхнекамских калийных рудниках является камерная. Параметры камерной системы весьма разнообразны и определяются главным образом горно-геологическими условиями залегания калийных пластов. За исключением шахтного поля БКПРУ-2, на месторождении практикуется применение «жестких» междукамерных целиков.

Особенностью разработки Верхнекамского месторождения калийных солей является проблема сохранения целостности водозащитной толщи, залегающей над промышленными пластами и защищающей горные выработки от затопления подземными водами.

До 1971 г. на месторождении применялся буровзрывной способ добычи калийных руд, затем перешли на комбайновый способ.

Обычно горным ударам подвержены участки массивов, сложенных прочными упругими породами. Однако известны случаи горных ударов и в слабых обводненных породах.

Так, горные удары отмечались в Баварском буроугольном бассейне при разработке мощных и средней мощности пластов на глубинах 90 - 130 м, залегающих в породах, представленных глинами, песчанистыми глинами, песками, насыщенными напорными водами. Сами пласты угля были представлены весьма крепкими углями, часто сильно обводненными. Сопровождались удары выбрасыванием угля, поднятиями почвы, сильной воздушной волной, сейсмическими колебаниями, ощущаемыми на земной поверхности.

Известны случаи горных ударов не только в подземных выработках, но и на карьерах, и притом на небольших глубинах при достаточно прочных породах. Таковы, например, горные удары в мраморных карьерах штата Вермонт в США.

В СССР, кроме упомянутого Кизеловского бассейна, горные удары проявляются в Донбассе, Кузбассе, на Воркутинском, Ткибульском, Кзыл-Кийском, Шурабском угольных месторождениях. Начальная форма горных ударов зарегистрирована в Криворожском железорудном бассейне.

Весьма интенсивные динамические проявления горного давления наблюдаются на апатитовых рудниках Хибин и на рудниках Ловозера Кольского полуострова, на Таштагольском, Коунрадском и некоторых других рудных месторождениях.

В табл. 17.1 приведены характеристики наиболее сильных техногенных землетрясений, произошедших на рудниках России в последние 20 лет.

Характеристики последних, наиболее сильных, техногенных землетрясений

на рудниках России

Таблица 17.1.

№№ п/п	Магнитуда до землетрясе-ния (MSK-64)	Балль-ность в эпицентре	Рудник, месторождение,	Дата сильнейше-го толчка	Сейсми-ческая энергия, Дж	Последствия в руднике
	4.0-4.4		Рудник “Умбозе-ро”, Ловозерское м-е, Кольский п-ов	17.08.1999	-	Площадь разрушен-ных выработок 600-650 тыс. м2
	~3.5-4.0	5-6	Шахта “Курба-закская”, ЮУБР	28.05.1990	1010-1011	Площадь разрушения выработок 450 тыс. м2
	3.4-3.6	5-6	ОАО “Апатит”, Кировский р-к, Кольский п-ов	16.04.1989	-	Разрушения крепи, поднятия и смещения рельсового пути, вы-бросы пород до 2 м3 на 3-х гор.
	3.5-3.8	5-6	Верхнекамское месторождение калийных солей, г. Соликамск	5.01.1995	-	Обрушения кровли в выработанном прост-ранстве 300 тыс. м2, мульда на поверх-ности 650´850 м
	2.2-2.6	-	Рудник “Умбозе-ро” ОАО “Севред-мет”, Ловозерское м-е Кольский п-ов	3-9.11.91.	109	Разрушения в очист-ных выработках на площади 80 тыс. м2
	~2.5		Рудник “Ташта-гол”, Таштаголь-ское м-е	31.08.1992	2.5×108	Общая площадь раз-рушения выработок 420 м2
	~2.5		СУБР, Шахта 15.	19.09.1985.	3.9×108	Сотрясение массива, зданий и сооружений в радиусе до 10 км, повреждены здания АБК шахты, пов-реждено 780 м выра-боток 4-х горизонтов.

Как следует из данных табл. 17.1, 17 августа 1999 г. в массиве рудника “Умбозеро” ОАО “Севредмет” произошло техногенное землетрясение, которое по энергетическим характеристикам и по последствиям в подземных

Рис.17.4. Схематический план участка разрушенных выработок в руднике “Умбозеро”

а - схематичный план; б - поперечный разрез; 1 - выработанное пространство нижней залежи III-14; 2 - целики; 3 - тектонические нарушения.

выработках, является наиболее мощным из всех происходивших на российских рудниках. На рис. 17.4 приведен схематический план участка разрушенных выработок.

Эпицентр землетрясения находился непосредственно на территории шахтного поля, землетрясение было зарегистрировано многими сейсмостанциями мира: Аляска (США), АРКЕСС (Норвегия), Шпицберген, Амдерма, Апатиты (Россия) и другими. Магнитуда землетрясения, по данным Кольского регионального сейсмологического центра РАН (г. Апатиты) и других сейсмостанций составила М=4.0-4.4. Интенсивность колебаний в эпицентре достигала 8 баллов (по 12-бальной шкале), в ближайшем п. Ревда (12 км) – 5-6 баллов. Сейсмическая активность в массиве рудника “Умбозеро” в течение месяца после катастрофы постепенно затухала и в настоящее время проявляется в фоновом режиме.

Главный толчок произошел во время спуска 2-й смены. Люди были выведены на поверхность, жертв не было. После главного толчка и серии последующих были разрушены горные выработки, перебиты энергетические коммуникации, вследствие чего прервалось энергоснабжение; рудник был полностью остановлен и выведен из строя на 3.5 месяца. Прямые убытки рудника составляют свыше 200 млн. руб.

Умбозерское месторождение представлено пластообразной рудной залежью мощностью 2.5-3.0 м, угол падения 0 - 25° (в среднем 17°) в направлении от склона вглубь Ловозерского массива. Сама залежь вытянута вдоль западных склонов Ловозерского массива.

Месторождение вскрыто двумя центральными сдвоенными наклонными стволами, пройденными под углом 17° в широтном направлении на длину 1.1 км от поверхности. От стволов, перпендикулярно к ним в меридиональном направлении через 20-40 м по высоте, пройдены этажные штреки на всю длину шахтного поля (2.5 км) до флангового вентиляционного ствола. Отработка рудной залежи производится камерно-целиковой системой в две стадии, с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью. Применяются камеры шириной 15-20 м и длиной 60-150 м, располагаемые либо по простиранию, либо по падению рудной залежи. Около 50% запасов оставляется в целиках для выемки во 2-ю стадию, после закладки выработанного пространства, к настоящему времени заложено менее 10% выработанного пространства.

Очистные работы на руднике в течение почти 3-х лет практически не велись, вследствие этого не было техногенного воздействия на массив, что привело к накоплению значительных запасов упругой энергии.

За годы отработки Хибинских апатито-нефелиновых месторождений на подземных, а в последние годы и на открытых рудниках произошло 11 техногенных землетрясений, 11 горно-тектонических ударов и 29 горных ударов. Практически повсеместно на подземных горизонтах в выработках и других конструктивных элементах систем разработки проявляются процессы шелушения, стреляния и динамического заколообразования пород.

Вообще современный отечественный и зарубежный опыт показывает, что интенсивная разработка крупных месторождений полезных ископаемых при достижении некоторого критического объёма выемки приводит к резкой активизации процессов в недрах, которые вызывают различные негативные, порой катастрофические последствия. По-видимому, Верхнекамский регион, Хибинские и Ловозерские месторождения вошли в эту фазу.