Характеристики последних, наиболее сильных, техногенных землетрясений

На рудниках России

Таблица 1.1.

№№ п/п	Магнитуда до землетря-сения (MSK-64)	Балль-ность в эпицентре	Рудник, месторождение,	Дата сильней-шего толчка	Энергия, Дж	Последствия в руднике
	4.0-4.4		Рудник “Умбозеро”, Ловозерское м-е, Кольский п-ов	17.08.1999	-	Площадь разрушенных выработок 600-650 тыс. м2
	~3.5-4.0	5-6	Шахта “Курбазак-ская”, 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, выбросы 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		Шахта 15-15 бис, СУБР.	5.10.1984.	3.9×108	Выброс 40 м3 породы, нарушено 740 м выработок

Как следует из данных табл. 1.1, 17 августа 1999 г. в массиве рудника “Умбозеро” ОАО “Севредмет” произошло техногенное землетрясение, которое по энергетическим характеристикам и по последствиям в подземных выработках, является наиболее мощным из всех происходивших на российских рудниках.

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. В таблице обозначена энергия только одного, наиболее мощного, толчка. На самом деле, во время землетрясения 17.08.1999 г. на руднике “Умбозеро”, в течение суток произошло еще 13 толчков с магнитудой М=1.2-2.7 (афтершоки) после главного толчка и множество других, более мелких динамических событий. Характерно, что перед землетрясением 17.08.1999 г. отмечалась форшоковая активность в этом районе, в течение 8.5 месяцев зафиксировано более 10 сейсмических событий с магнитудой от 1.5 до 2.7.

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. До сих пор рудник продолжает восстановительные работы и вышел только на часть своей производительности.

Все приведенные примеры свидетельствуют о том, что природа геомеханических процессов в массивах пород, их характер развития и возможные последствия, не смотря на многолетнюю историю исследования, ещё не полностью выяснена. Однако основные закономерности и влияющие факторы к настоящему времени достаточно хорошо известны.

Вообще все геомеханические проявления, как статические, так и динамические, можно рассматривать как результат взаимодействия внешних природных и техногенных воздействий, с одной стороны, и реакции массива пород на эти воздействия, с другой. При таком подходе под природными и техногенными воздействиями следует понимать весь полный спектр воздействий на массив, включая все возможные внешние воздействия в течение всего периода «жизни» сооружений или предприятий, от строительства и эксплуатации до вывода из эксплуатации и его ликвидации. По своему характеру эти природные и техногенные воздействия могут быть самыми разнообразными, как динамические, импульсные, так и статические, а также весьма длительного действия. Большей частью в реальных условиях все эти воздействия проявляются в самых разнообразных сочетаниях и действуют одновременно. Конкретные значения природных воздействий определяются всем комплексом условий размещения объектов на конкретной территории (физико-географическими, климатическими, тектоническими и др.), а техногенных воздействий - применяемыми системами разработки, общей технологией проведения горных работ, используемым оборудованием, порядком ведения работ и их организацией. В рамках данного курса основное внимание будет уделено рассмотрению техногенных воздействий, связанных непосредственно с проведением горных работ, т.е. с применяемыми системами разработки месторождений полезных ископаемых.

На указанные природные и техногенные воздействия массив пород откликается сообразно своему состоянию, которое, в свою очередь, как уже указывалось, обусловливается, главным образом, свойствами слагающих пород, структурными особенностями и естественным напряжённым состоянием. Во многих случаях дополнительно к перечисленным основным фактором, определяющим состояние массива пород, необходимо рассматривать и учитывать фактор изменения естественного гидрогеологического режима 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.

Природа геомеханических процессов, протекающих в массивах пород при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве, достаточно давно изучается в нашей стране и за рубежом, и к настоящему времени получены существенные результаты, позволяющие говорить о принципиальных механизмах и параметрах геомеханических явлений, происходящих в массиве пород. Также накоплен огромный опыт проведения горных работ в самых разнообразных горно-геологических условиях. В результате полученных данных было разработано большое количество различных нормативных документов, как имеющих статус государственных документов, так и различного ведомственного уровня. Использование этих документов позволяют реально решать вопросы регулирования состояния массива пород.

В настоящее время в капитальных горных выработках применяются, как правило, крепи одного типа на всём их протяжении, независимо от изменяющихся по длине выработок горно-геологических условий. В результате на одних участках выработки крепь имеет излишнюю несущую способность, а на других – недостаточную. При этом резко повышаются затраты на ремонт и перекрепление выработок. Так на шахтах СНГ годовой объём ремонта и перекрепления капитальных и подготовительных выработок составляет до 35% от общей протяжённости.

Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору конструкций крепей выработок угольных шахт (СНиП-II-80 и др.) в принципе предусматривают дифференцированный подход к применению различных конструкций крепей для отдельных участков выработки, имеющих отклонения показателей прочностных свойств вмещающих пород более, чем на 20%. Однако на практике это положение реализуется крайне редко по двум причинам: во-первых – вследствие недостаточности точной информации о свойствах окружающего массива, а, следовательно, о характере геодинамических процессов в окружающем массиве, и, во-вторых, из-за нетехнологичности перехода от одного типа крепи к другому.

Отсюда перспективными направлениями в решении проблемы управления состоянием массива пород при проведении горных выработок являются как совершенствование методов получения информации о состоянии массива окружающих пород, так и разработка видов и конструкций крепей, которые могут гибко приспосабливаться к изменяющимся условиям. Примерами таких крепей являются комплексные крепи – анкерные (штанговые) крепи в сочетании с набрызг-бетонным покрытием, которые находят всё большее применение в самых разнообразных горно-геологических условиях.

К числу документов, направленных на решение вопросов управления состоянием массива пород, в частности, относятся «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок в Донецком угольном бассейне», разработанные и утверждённые в установленном порядке в 1960 году. При составлении «Правил…» был использован весь материал, накопленный к моменту их издания непосредственно по данным натурных наблюдений и практического опыта выемки угля под различными сооружениями. Аналогичные документы были составлены в этот же период и для других бассейнов и месторождений.

Опыт практического использования этих документов показал, что нормы, способы и принципы, заложенные в бассейновых правилах, в основном себя оправдали и их можно положить в основу при составлении «Правил», единых для всех бассейнов. Подобный документ был составлен, и в 1979 году были утверждены «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях».

При этом основными методами защиты объектов от вредного влияния горных разработок в этих «Правилах…», как и в предыдущих документах, оставались предохранительные целики различного назначения. Однако, по мере оснащения добычных участков мощной высокопроизводительной техникой, становилось всё более очевидным, что эти методы теряют свою эффективность, т.к. монтажные и демонтажные операции тяжёлого шахтного оборудования в стеснённых подземных условиях, связанные с переходом очистных забоев через целики, требует больших затрат, надолго нарушают ритм работы горнодобывающего предприятия и всегда ведут к резкому повышению себестоимости добытого сырья.

Вследствие этого в конце 70-80 годов всё большая роль стала отводиться подходам, в основе которых лежали методы приспособления зданий и сооружений на подрабатываемых территориях к выдерживанию некоторых, ограниченных по величине деформаций оснований. Возникло новое направление, заключающееся в усилении конструкций зданий или, наоборот, придании им необходимой гибкости и податливости. В свою очередь, это потребовало интенсификации изучения закономерностей развития геомеханических процессов в массивах пород, окружающих очистные выработки, и установления факторов, определяющих эти процессы.

В результате были установлены эмпирические зависимости величин деформаций горных пород и земной поверхности от основных влияющих факторов. Полученные эмпирические зависимости имели ограниченную область применения, только в тех условиях, где производились инструментальные наблюдения.

Для отдельных наиболее изученных регионов, были произведены теоретические обобщения и разработаны полуэмпирические методы расчёта, позволяющие прогнозировать ожидаемые величины сдвижений и деформаций.

В этот же период начались первые попытки непосредственного воздействия на геомеханические процессы, происходящие в толще пород под влиянием горных работ. Наиболее успешными из них оказались известные ранее и усовершенствованные методы закладки выработанного пространства, а также новые методы, основанные на взаимной компенсации деформаций разных знаков, получивших название гармонической отработки пластов.

Методы закладки были успешно внедрены на рудниках Норильского горнометаллургического комбината и дали значительный экономический эффект. Однако этот метод является дорогим, его применение ограничивается условиями выемки только весьма ценных полезных ископаемых.

Методы гармонической отработки пластов оказались более перспективными, но для их применения потребовались углублённые знания о закономерностях развития деформационных процессов в массиве пород не только в пространстве, но и во времени. Начались интенсивные исследования динамики деформационных процессов, результаты которых были обобщены в работе «Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых». М, ИПКОН,1984.

В результате исследований геомеханических процессов при открытой разработке месторождений установлено, что устойчивость бортов карьеров и отвалов определяется многочисленными природными и горнотехническими факторами. Среди природных факторов выделены и детально исследованы геологические, гидрогеологические и климатические факторы. При этом впервые в отечественной и зарубежной горной и геолого-разведочной практике были научно обоснованы требования к изученности инженерно-геологических условий месторождений, подлежащих разработке открытым способом, которые позволили:

· оптимизировать количество разведочных скважин для изучения различных инженерно-геологических комплексов пород и снизить стоимость инженерно-геологических изысканий;

· повысить надёжность исходной информации о составе, строении и свойствах горных пород, необходимой для расчётов оценки устойчивости бортов разрезов и карьеров.

На основе результатов этих исследований разработано и, по решению ГКЗ СССР в 1965 году издано «Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий месторождений, подлежащих разработке открытым способом». Кроме того, разработана и в 1971 году утверждена Госгортехнадзором СССР «Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости».

Рекомендуемые методы и порядок расчёта устойчивости бортов карьеров изложены в работе «Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров (ВНИМИ; составители: Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожников, А.М. Мочалов, В.И. Пушкарев, Ю.С. Козлов. – Л., изд. ВНИМИ, 1972, – 165 с.) Эта работа и в настоящее время широко используется в нашей стране и за рубежом.

Вместе с тем указанные нормативные документы и принятые методы оценки устойчивости откосов уступов и бортов карьеров были разработаны в основном для относительно неглубоких карьеров в условиях массивов, представленными рыхлыми или непрочными осадочными породами. Распространение этих методов на скальные породы сопровождается значительным запасом в расчётах конструкций бортов и уступов, поскольку при этом не учитываются специфические особенности скальных массивов.

Практика ведения горных работ в скальных массивах показывает, что устойчивость откосов, достигающих по высоте десятков и даже сотен метров, сохраняется в течение многих лет даже при крутых, вплоть до вертикальных, углах.

За рубежом при ведении открытых горных работ в высокопрочных скальных массивах уже давно используются достаточно крутые углы наклона бортов карьеров.Можно привести примеры: карьер Flintkote Mine (Канада), борт которого отстроен в гранитах под углом 70°; Cleveland Cliffs (США), борт которого при высоте 120 м отстроен под углом 80°; Westfrob Mine (Канада) глубиной 244 м с общим углом наклона борта 55°; Palabora (ЮАР), на котором реализованы генеральные углы откосов бортов до 58° с использованием вертикальных откосов уступов высотой 30 м; Sandsloot (ЮАР) с бортами высотой 300 м и углом наклона 58°; Aitik (Швеция), на котором, несмотря на достаточно сложные горно-геологические условия массива, угол откоса борта достигает 51°; Panda (Канада) имеет общий угол наклона бортов 50° при их высоте 315 м.

В отечественной практике ведения открытых горных работ также есть примеры строительства достаточно крутых бортов карьеров. Так, на карьере «Айхал» (Якутия) углы откосов бортов в глубокой части карьера составляют 70-80°, на Целиноградском горно-химическом комбинате один из участков борта карьера высотой 120 м был отстроен под углом 55°.

Однако отмечаются и факты самообрушения отдельных участков бортов, которые существенно осложняют открытые горные работы, а в некоторых случаях обусловливают большие потери полезного ископаемого, наносят экономический ущерб предприятию и даже могут сопровождаться человеческими жертвами.

Всё это говорит о том, что принятые в настоящее время методические подходы и нормативные документы зачастую приводят к техническим решениям, неадекватным конкретным горно-геологическим условиям. Это происходит вследствие недостаточного учёта основных особенностей массивов высокопрочных скальных пород, а именно – их иерархически блочного строения и естественного напряжённого состояния, обусловленного в большинстве случаев действием гравитационно-тектонических полей напряжений.

Здесь также как и для горных выработок, проектами обычно предусматривается одна конструкция бортов (один угол наклона борта, одна высота и один угол наклона уступа) для всего карьера, несмотря на резкие различия горно-геологических условий отдельных участков массива. Здесь также перспективными направлениями являются переход на оптимальные конструкции уступов и бортов (высоты уступов, углы наклона отдельных уступов и борта в целом), параметры которых будут достаточно обосновано увязаны с параметрами состояния приконтурного массива.

Таким образом, к настоящему времени разработаны научные подходы к управлению геомеханическими процессами при освоении недр. При этом, по мере усложнения горно-геологических и гидрогеологических условий осваиваемых месторождений полезных ископаемых и строительства подземных сооружений, а также вследствие повышения экологических и экономических требований к недропользованию, становится всё более очевидным, что наиболее эффективными методами управления геомеханическими процессами в массиве пород являются методы целенаправленного выбора технологических процессов разработки месторождений и подземного строительства.

В рамках данного курса мы будем рассматривать методы управления состоянием массива пород, главным образом, геомеханическими процессами применительно к вопросам подземной разработки месторождений. Однако следует заметить, что практически все основные подходы целиком применимы и для открытых работ, и при подземном строительстве, поскольку суть происходящих в массиве пород процессов одна.

На практике при разработке месторождений полезных ископаемых в настоящее время применяют следующие основные способы управления состоянием массива горных пород:

1. Крепление выработок и выработанного пространства. Применяют для капитальных и подготовительных горных выработок. Для очистных выработок применяют в случае, когда полезное ископаемое и вмещающие породы неустойчивы и требуют поддержания. В качестве крепи используют деревянные стойки и костры; каменную бутовую и кирпичную кладку; монолитный бетон и бетонные полосы; столбы, металлические конструкции и стойки; механизированную ограждающую крепь, анкерную крепь и набрызг-бетон и др. Назначение крепи заключается в снижении деформаций и предотвращении разрушений (отслоений, вывалов, трещинообразования) обнажённых пород призабойного пространства в течение определённого времени, необходимого для производства работ.

2. Поддержание выработанных пространств целиками. Этот способ заключается в обеспечении устойчивого равновесия массива подработанных пород и предотвращении обрушения земной поверхности. Месторождения в этом случае отрабатывают системами с открытым очистным пространством, сущность которых заключается в выемке камер и оставлении прочных целиков между ними.

Рассматриваемый способ управления состоянием массива горных пород применяют тогда, когда полезное ископаемое и породы обладают высокой устойчивостью при сравнительно невысокой ценности полезного ископаемого, а также при необходимости сохранения земной поверхности (при наличии водоёмов, гражданской или промышленной застройки, железных дорог и других подлежащих охране объектов). При отработке высокоценных руд целики могут заменяться надёжными искусственными опорами (бетонными, каменными).

3. Поддержание выработанного пространства временно оставляемой (магазинированной) отбитой рудой. При этом способе, применяемом для отработки маломощных крутопадающих (жильных) месторождений, в процессе отработки блоков 60-70% отбитой руды временно оставляют в выработанном пространстве для поддержания обнажений висячего и лежачего боков, склонных к частичным вывалам и обрушениям. В целом, руды и породы должны быть достаточно устойчивыми, чтобы в очистном забое кровля и бока не обрушались и обеспечивали безопасное ведение очистных работ.

4. Закладка выработанного пространства. В неустойчивых, склонных к обрушению породах после выемки (или одновременно с выемкой) полезного ископаемого для предотвращения опасных деформаций выработанное пространство заполняют закладочным материалом. В качестве закладочных материалов используют дроблёные пустые породы, песок, гравий, шлаки металлургических заводов и электростанций, хвосты обогатительных фабрик. Наиболее надёжным средством поддержания являются твердеющие (бетонные) смеси при условии полного подпора кровли выработанного пространства закладочным материалом и своевременного выполнения работ по закладке.

5. Управление состоянием массива посредством обрушения пород. Сущность этого способа заключается в последовательном обрушении налегающей толщи пород вслед за подвиганием очистных работ. В связи с тем, что в результате выемки полезного ископаемого и подработки пород увеличивается опорное давление на прилегающий массив и возрастает опасность недопустимого деформирования (даже раздавливания) пород необходимо периодически снижать величину опасных напряжений путём обрушения подработанной толщи пород.

Обрушение может быть частичным (обрушается только нижняя пачка пород - непосредственная кровля или часть вышележащей толщи пород) или полным (в процесс обрушения вовлекается вся толща пород до земной поверхности). Вполне очевидно, что во втором случае происходит основная разгрузка прилегающего массива горных пород.

Способ управления состоянием массива самообрушением пород под действием их собственного веса применяют в случае слабых неустойчивых и трещиноватых пород при полезном ископаемом различной прочности. Если же вмещающие породы достаточно устойчивы, то подработанные породы обрушают принудительно путём взрывания скважин либо сосредоточенных (минных) зарядов. К принудительному обрушению пород часто прибегают в начальный период очистной выемки, для ликвидации зависаний подрабатываемых пород. С развитием фронта очистных работ и увеличением площадей подработки создаются обычно более благоприятные условия самообрушения пород с определённым шагом.

С целью создания благоприятных условий для самообрушения пород отработка месторождений должна осуществляться без оставления каких-либо постоянных целиков сплошным фронтом, в направлении от средней части месторождения к флангам.

Перечисленные способы управления состоянием массива пород в каждом конкретном случае выбирают с учётом вероятности динамических проявлений горного давления, вредного воздействия температурных, гидро- и газодинамических факторов.