Взаимосвязь геомеханических процессов с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива

Тема 1. Введение. 4 часа.

Содержание курса и его связь со смежными дисциплинами. Основные понятия и определения. Взаимосвязь геомеханических процессов в массивах пород с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива. Анализ современных подходов к вопросам проблемы «Управление состоянием массива пород» и перспективные направления её решения с целью повышения эффективности и безопасности подземных горных работ и сокращения вредных воздействий на окружающую среду.

Содержание курса и его связь со смежными дисциплинами. Основные понятия и определения.

В рамках государственного стандарта на 3-м курсе студентам горных специальностей читается курс лекций «Геомеханика». При этом освещаются основы этой науки - науки о прочности, устойчивости и деформируемости массивов горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и техногенных сил, т.е. сил, вызванных влиянием деятельности человека, в частности, горных работ.

Основные процессы, изучаемые геомеханикой (точнее их можно назвать «геомеханическими»), можно подразделить на три большие группы:

*- формирование напряжённо-деформированного состояния массивов пород и его изменение в связи с проведением выработок;

*- динамические процессы и явления в массивах горных пород;

*- сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах.

Непосредственно с указанными процессами связаны самостоятельные научные направления, а также основные задачи, которые необходимо при этом решать в рамках геомеханики.

В частности, общим для всех групп процессов является научное направление исследования свойств пород и массивов во всём разнообразии возможных силовых воздействий, и здесь может быть выделен целый ряд научных и практических задач. Важнейшими из них являются разработка унифицированных методик и создание оборудования для определения свойств пород и массивов, создание классификаций и паспортизация пород по их свойствам.

Для первой группы процессов важнейшее значение имеет научное направление, связанное с методами определений параметров полей напряжений в массиве пород и оценкой их изменений под влиянием различных факторов и условий. Непосредственную связь с этими вопросами имеют практические задачи оценки устойчивости пород в обнажениях, определения параметров предельных обнажений и обоснования вида мероприятий по обеспечению безопасных условий проведения горных работ или эксплуатации подземных сооружений. К числу подобных мероприятий можно отнести выбор вида и параметров крепи, размеров очистных камер и целиков, обоснование порядка отработки отдельных участков месторождений и др.

Со второй группой - динамическими процессами - связаны такие грозные явления как динамические проявления горного давления - горные удары, выбросы газа и пыли, техногенные землетрясения. Основными научными направлениями при этом будут разработки теоретических представлений о механизме подобных явлений, а главными практическими задачами являются выбор и обоснование мероприятий по предотвращению их при проведении горных работ.

С процессами сдвижения пород при проведении горных работ – третьей группой процессов - связано научное направление разработки общей теории сдвижения горных пород, а также ряд практических задач по обоснованию мероприятий, предотвращающих или снижающих до безопасных пределов влияние горных работ на состояние массива пород и дневную поверхность, а также на инженерные сооружения и др. объекты, определение параметров охранных целиков, параметров закладки, шага обрушения и т.д.

Главной инженерной задачей геомеханики является научное обоснование и разработка способов управления механическими процессами в породных массивах для обеспечения безопасности горных работ и повышения производительности и надёжности технологических процессов.

В соответствии с этим данный курс «Управление состоянием массива горных пород» по своей сути является практическим приложением к курсу «Геомеханика» и направлен, прежде всего, на ознакомление студентов с подходами и методами решения практических задач геомеханики, с которыми сталкиваются горняки в своей повседневной деятельности.

При этом под управлением состояния массива горных пород, прежде всего, будем понимать управление геомеханическими процессами в массиве, т.е. целенаправленное регулирование характера и параметров геомеханических процессов с целью повышения безопасности горных работ и их эффективности. Регулируя развитие геомеханических процессов в массиве пород, стремятся достичь такого положения, чтобы процессы развивались в желательном безопасном направлении и их параметры находились в пределах заранее установленных безопасных величин. Наибольшие трудности возникают при разработке методов управления состоянием массива пород, непосредственно окружающего очистные выработки.

Но прежде, чем переходить к рассмотрению общей структуры и содержания отдельных тем курса, необходимо вспомнить некоторые общие положения геомеханики.

В соответствии с приведенным выше определением геомеханики, основным объектом исследований в геомеханике является породный массив, а точнее, механические процессы, происходящие в массиве и связанные, главным образом, с проведением в нём горных выработок.

В отличие от других смежных разделов механики, например, строительной механики, геомеханика весьма специфична, что обусловлено, в первую очередь, особенностями массивов горных пород. Массивы горных пород образуют особые физические среды, состояние которых определяется тремя составляющими - свойствами горных пород, слагающих их; структурными особенностями и естественным напряженным состоянием.

Поскольку для всех указанных составляющих степень неоднородности достаточно высока, то в целом и для массивов неоднородность существенно выше, чем для любых других искусственных или даже естественных материалов.

Эта существенная неоднородность массивов определяет чрезвычайно широкую изменчивость характеристик пород и заставляет применять специфические приёмы к изучению свойств и закономерностей их изменения в зависимости от рассматриваемых объёмов, режимов силовых воздействий, времени воздействия и т.д.

При такой специфике первым непременным этапом, иногда весьма продолжительным по времени, является непосредственное определение свойств пород при различных условиях. Затем по мере накопления результатов испытаний конкретных пород и в конкретных условиях наступает следующий этап - этап обобщений и здесь весьма актуальной становится задача систематизации горных пород по свойствам с тем, чтобы в дальнейшем, уже без проведения специальных исследований, было возможно прогнозировать те или иные процессы и явления. Систематизация горных пород по свойствам носит название классификации.

Рассмотренный подход к изучению свойств горных пород весьма характерен и практически без изменений применим и к другим вопросам геомеханики - исследованию напряжённо-деформированного состояния, разработке теории динамических проявлений горного давления, вопросам сдвижения горных пород и др.

Вместе с тем в геомеханике первостепенное значение имеет анализ характера и форм проявления механических процессов в различных горно-геологических условиях ведения горных работ. При этом особую важность приобретают натурные наблюдения и инструментальные методы измерений с целью определения основных параметров изучаемых процессов в конкретных условиях: напряжений, деформаций, сдвижений горных пород и их изменения в зависимости от основных действующих факторов. Данные, получаемые из натурных исследований, позволяют типизировать изучаемые явления и процессы, уяснять их общий механизм и физическую сущность и проводить дальнейшие теоретические обобщения, устанавливать допустимую степень схематизации задач.

Учитывая весьма высокую неоднородность массивов горных пород и разнообразие горно-геологических условий, которые достаточно сложно описывать строгими математическими закономерностями для геомеханики в большей степени, чем для других разделов механики, характерно широкое использование методов моделирования, позволяющих выявить и оценить в исследуемых процессах роль различных действующих факторов и получить значения необходимых параметров даже при невозможности строгого решения задач аналитическими методами.

Вместе с тем всё большое применение в геомеханике находят и аналитические методы, что объясняется, в первую очередь, их развитием, а также общим прогрессом в понимании явлений геомеханики и степени воздействия отдельных факторов. При этом очень часто используют комплексные подходы, когда в качестве граничных условий при постановке аналитических задач используются результаты натурных наблюдений и моделирования.

Вообще в геомеханике при такой высокой степени неопределённости исходных данных и начальных условий зачастую нецелесообразно ставить задачи с целью получения точных решений. Более существенно иметь результаты, отражающие главные принципиальные зависимости и которые потому лишь с определённой степенью приближения и с некоторой вероятностью соответствуют наблюдаемым явлениям.

Речь идёт о предрасчёте основных параметров каких-либо процессов с весьма невысокой точностью, но вполне удовлетворяющей практику или даже о получении чисто качественных результатов - например, о прогнозировании форм и характера проявления процессов геомеханики в тех или иных конкретных условиях, их изменении во времени и в пространстве, об определении оптимальных условий ведения горных работ.

Всё сказанное позволяет сформулировать общую методологию геомеханики:

Общая методология геомеханики состоит в широком использовании и анализе натурных наблюдений и измерений с одновременным привлечением методов и приёмов моделирования и аналитических исследований на базе теоретических положений из основных разделов современной механики, других математических и физических наук.

Поскольку курс «Управление состоянием массива горных пород» является логическим продолжением курса «Геомеханика», всё сказанное, естественно, в полной мере относится и к нему, при этом все понятия, определения и закономерности геомеханики целиком сохраняют свою справедливость.

Необходимость постановки специального курса «Управление состоянием массива горных пород» при подготовке специалистов горного дела вызвана, главным образом, тем, что в своей практической деятельности горнякам приходится повсеместно сталкиваться с проблемами преодоления негативных следствий развития геомеханических процессов в массиве пород.

К настоящему времени накоплен огромный положительный опыт управления геомеханическими процессами, т.е. целенаправленного изменения их развития в массивах пород при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве. Вместе с тем имеется много примеров и неудачных попыток управления состоянием массива пород, что приводит к разрушению горных выработок, катастрофическим прорывам подземных вод и грунтовых масс, образованию провалов на земной поверхности, горным ударам, техногенным землетрясения и др. негативным последствиям. Это объясняется как недостаточными представлениями о сути происходящих явлений в массиве пород (т.е. недостаточным уровнем развития геомеханики как науки), так и отсутствием к данному моменту необходимых технологических решений, применимых для эффективной реализации тех или иных предложений по управлению геомеханическими процессами.

Управление геомеханическим процессами, а, в конечном счёте, и состоянием массива пород необходимо осуществлять на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых или подземного строительства.

На стадии составления проекта разработки месторождения или строительства подземных сооружений это проявляется в виде выбора системы разработки, определения параметров отдельных элементов систем, установления рационального порядка отработки месторождения, определения оптимального расположения и ориентации выработок в пространстве, обоснования мероприятий по их поддержанию, обоснованию общей организации горных и горностроительных работ, обоснования системы контроля состояния массива (геомониторинга), а также оценки изменения экологической обстановки в районах разработки месторождений полезных ископаемых и строительства подземных объектов различного назначения..

На стадии эксплуатации горных предприятий или подземных сооружений это проявляется в виде корректировки положений проекта по результатам уточнённой информации о реальных свойствах и состоянии массива пород, а также оперативной разработки и реализации необходимых мероприятий по предотвращению негативных последствий разработки месторождений или подземного строительства.

На стадии ликвидации горных предприятий или вывода из эксплуатации подземных сооружений – в виде прогноза развития геомеханических процессов после окончания горных работ, обоснования предложений по использованию высвобождающегося подземного пространства в народном хозяйстве, а также для оценки степени реабилитации эксплуатировавшихся территорий и массивов пород.

Взаимосвязь геомеханических процессов с методами ведения горных работ и естественным геомеханическим состоянием массива.

Комплексное освоение недр (разработка месторождений полезных ископаемых и подземное строительство) вызывает изменение геомеханического состояния массива горных пород и развитие в нём геомеханических процессов, т.е. процессов деформирования и разрушения горных пород. Эти процессы зачастую приводят к крайне негативным последствиям.

Несколько примеров.

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом наиболее распространёнными негативными последствиями развития геомеханических процессов являются деформации уступов, бортов и отвалов.

Так на предприятиях АО «Востсибуголь» деформации внутренних отвалов одного из разрезов привели к авариям и неоднократным остановкам участка капитальной вскрывающей траншеи и ощутимому ухудшению показателей производства. Значительные деформации нерабочих бортов на других разрезах в разное время и на различные сроки полностью парализовали горные работы. Аналогичная ситуация наблюдалась и на угольных разрезах АО «Сахалин уголь», АО «Челябинскуголь», в Кузбассе.

Деформации рабочего борта на карьере «Медвежий ручей» АО «Норильский никель» поставили вопрос о целесообразности дальнейшего существования этого карьера.

К наиболее характерным примерам подобных явлений в условиях горно-рудных предприятий Мурманской области можно отнести обрушение групп уступов в пределах коренных пород в Оленегорском карьере ОАО “Олкон” и в карьере рудника “Железный” ОАО “Ковдорский ГОК», а также - оползни в пределах толщи моренных отложений на Коашвинском карьере Восточного рудника ОАО “Апатит”.

Таблица из материалов Рыбина.

Детальный анализ причин возникновения перечисленных случаев показывает, что основной причиной указанных нарушений является неадекватность принятых технических решений конкретным горно-геологическим условиям. В частности, причина потери устойчивости группами уступов на Оленегорском и Ковдорском карьерах – подрезка неблагоприятно ориентированных поверхностей структурных неоднородностей в массиве горных пород или расположение уступов в пределах ослабленных участков, сложенных дезинтегрированными породами. Причина оползня в пределах моренных отложений на Коашвинском карьере – подмыв подземными водами и увеличенный по сравнению с проектным угол откоса уступа, а также динамические воздействия на массив пород технологических взрывов.

Аналогичная ситуация наблюдается и на зарубежных горных предприятиях.

Одним из примеров оползней и обрушений больших объёмов может служить оползень на рабочем борту угольного разреза Трояново II (Народная республика Болгария), происшедший в январе 1966 года. Оползень охватил все вскрышные и угольные уступы. Объём оползшей массы составил около 16 млн. м³, из них около 6.6 млн. м³ – угля. На момент возникновения оползня глубина карьера составляла 56 м, а угол наклона борта -7⁰. Борт карьера был сложен третичными глинами, покрывающими угольный пласт, подугольная толща представлена слабыми пластичными глинами. В 1969 году на этом карьере опять возник оползень объёмом около 50 млн. м³.

Основными факторами, обусловившими возникновение этих оползней, явились:

· наличие в подугольных отложениях пластичных глин, склонных к набуханию;

· наличие напорных вод в подугольной толще пород;

· наличие поверхностей древних оползней, приуроченных к долине близлежащей реки.

Причиной оползневых явлений на угольных разрезах Китая и Вьетнама явились проектные решения, не подтверждённые геомеханическими расчётами, игнорирующие при определении параметров бортов реальное сложное структурное строение и гидрогеологические условия в прибортовом массиве горных пород.

В ряде случаев оползневые процессы на поверхности активизируются подземными горными работами. Подобная ситуация наблюдалась на территории г. Осинники в зоне влияния шахты «Капитальная» в Кузбассе, на объектах Копейского машиностроительного завода в зоне влияния шахты «Центральная» в Челябинском бассейне.

Традиционные методы охраны объектов от вредных влияний горных работ в современных условиях (при высокой плотности застройки, больших глубинах разработки и др.) всё чаще становятся неэффективными или вовсе неприемлемыми. В то же время подработка зданий и сооружений без надёжных мер защиты приводит к их повреждениям, а иногда и к разрушениям, выходу из строя промышленных предприятий, жилых зданий и подземных коммуникаций. Особенно опасны последствия недостаточно обоснованной подработки природных объектов, в частности, водных объектов. Очень часто нарушение естественного состояния даже незначительного по своим размерам водного объекта может весьма неблагоприятно отразиться на состоянии окружающей среды всего горнопромышленного района.

Значительный ущерб народному хозяйству наносят горные работы в связи с образованием провалов на земной поверхности при разработке свит крутопадающих угольных пластов (Прокопьевско-Киселёвский район Кузбасса) и при разработке пластов на небольшой глубине (территории полей шахт Подмосковного угольного бассейна).

Влияние горных работ также часто вызывает изменение гидродинамического режима подземных и грунтовых вод, что может привести к деформированию поверхности и затоплению или заболачиванию отдельных территорий. Такие явления наблюдались в районах шахт Челябинского бассейна, в Карагандинском бассейне был подтоплен посёлок Михайловка.

При разработке соляных месторождений недостаточный учёт горно-геологических факторов приводит к разрушению целиков, образованию провалов и затоплению рудников. Так в 1979 г. был затоплен Соль-Илецкий рудник №1, в 1986 г. Березниковский рудник №3.

Как при строительстве шахт, так и при добыче угля работы по креплению горных выработок являются одними из наиболее трудоёмких и требуют значительных материальных и временных затрат. В общей стоимости и трудоёмкости проведения горных выработок, стоимость крепей и затраты на их возведение составляют 30-60%. По данным производственных объединений доля затрат на крепление и поддержание горных выработок составляет от 7 до 15% от общей себестоимости добычи угля, а её снижение за счёт оптимизации конструкций применяемых крепей является весьма актуальной проблемой угольной промышленности в России.

Весьма часто приходится сталкиваться с негативными последствиями геомеханических процессов при строительстве и эксплуатации подземных сооружений различного назначения.

Так аварийные ситуации неоднократно возникали при строительстве тоннелей на БАМе. В частности, при проходке двухпутных тоннелей в сильнотрещиноватых скальных породах буровзрывным способом были зафиксированы значительные вывалы пород (с высотой купола до 6 м) в забое. В дальнейшем, во избежание этих явлений работы велись с применением опережающих экранов из труб. Проходка Северомуйского тоннеля в сложной тектонической и гидрогеологической обстановке сопровождалась рядом прорывов подземных вод и выносом дезинтегрированных масс со скоростью до нескольких тысяч кубических метров в час.

Отдельные аварии, связанные с разрушением пород и крепи, имели место при проходке Лысогорского железнодорожного тоннеля на линии Краснодар-Туапсе, Дилижанского железнодорожного тоннеля, перегонных тоннелей Санкт-Петербургского, Минского и Днепропетровского метрополитена, при сооружении котлованов станций мелкого заложения метрополитенов в Нижнем Новгороде и Екатеринбурге.

Весьма значительный ущерб и высокая степень травматизма наблюдается при выполнении горных работ в условиях динамических проявлений горного давления – горных ударов, техногенных землетрясений и внезапных выбросов угля, пород и газа.

В табл. 1.1 приведены характеристики наиболее сильных динамических проявлений горного давления - техногенных землетрясений, произошедших на рудниках России в последние 20 лет.