Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

НЕУПРУГОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ МАССИВА ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ РУДНОЙ ЗАЛЕЖИ

Н.И. Ермаков

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

В процессе ведения горных работ, особенно в подземных условиях глубоких горизонтов, для многих горняков обязательно встает вопрос, как поведет себя окружающий выработку массив? Будет ли безопасной выемка руды на том или ином геологическом участке? Или, что следует предпринять, чтобы обезопасить себя? Что следует опасаться - больших напряжений в породах, возникающих вокруг выработки, или же небольших по величине деформаций, которые обнаруживаются даже визуально? Часто перед горняками возникают и такие вопросы: где следует ожидать проявление динамических разрушений, а где их совсем не будет?

Многолетние исследования деформирования природной среды в пределах многих горных объектов страны позволили надежно установить, что в массиве пород на глубоких горизонтах при развитии очистных работ обязательно реализуются процессы упруго-пластического, а затем и квазипластического деформирования породного массива, затрудняющие добычу полезного ископаемого. Указанные процессы первоначально наиболее интенсивно происходят вблизи контакта рудной залежи с вмещающими породами на тех участках массива, где залежь и породы рассечены тектоническими нарушениями. Затем они возникают и в ненарушенном тектоникой массиве, попадающем в зону влияния очистного пространства.

Начальная фаза неупругого деформирования массива выявляется и без тщательных замеров взаимных перемещений ранее установленных реперов или иных материальных точек массива относительно друг друга по чисто внешним признакам, например, по проявляющейся неустойчивости стенок и кровли подготовительных выработок и очистных камер в месте их пересечения тектоническими нарушениями и трещинами. Но обнаруживается она только подготовленными специалистами-геомеханиками. Следующая фаза неупругого поведения породного массива, заключающаяся в обрушении кровли камер и разрушении целиков на большой площади уже замечается всеми заинтересованными лицами. Наконец, последняя фаза разрушения породной среды - выход разрушений на поверхность - отмечается не только горняками и геологами.

Визуально с самой начальной фазы неупругого поведения массива легко определяется, что разрушение породы осуществляется за счет сдвиговых микроподвижек по плоскостям трещин и нарушений с оставлением на них штрихов и борозд скольжения. Специальные инструментальные наблюдения за сдвиговыми деформациями масштабных участков массива свидетельствуют о том, что амплитуда сдвиговых перемещений на базах, превышающих расстояние между соседними трещинами одного класса, многократно превышает пределы упругости материала.

В натурных условиях автором статьи также установлено, что общие размеры зон упруго-пластического и неупругого деформирования горных пород после образования очистных пространств прежде всего зависят от начальной анизотропии поля напряжений, уровня максимальной компоненты напряжений, а также от анизотропии трансформированного поля напряжений, При этом на результат деформирования массива значительно влияет и ориентировка в массиве компонент главных напряжений. Интенсивность неупругих (сдвиговых) перемещений в зоне влияния очистных работ обычно связана с развитостью дизъюнктивных структур и с последовательностью их формирования. Инструментально с помощью реперных станций и визуально на обнажении было подтверждено, что на процесс деформирования массива влияет современное состояние межблочных контактов, которое в огромной степени определяет форму проявления горного давления при ведении очистных работ (плавные подвижки с обрушением или динамические разрушения).

Акцентирование на неупругую форму деформирования породного массива вблизи очистного пространства следует принять как попытку описать реальный характер поведения массива в рамках общей теории деформирования пород. Отсюда, цель предложенной читателю статьи заключается в том, чтобы показать, что неупругое деформирование породного массива развивается даже при низких напряжениях в массиве еще не достигших и половины предела прочности пород на одноосное сжатие. В публикациях с подобными взглядами на поведение породного массива, правда, скорее теоретического характера, выступает ряд авторов [1, 2].

Естественно, что представленный здесь взгляд на процессы деформирования массива пока не находит широкого распространения даже среди пользователей теоретических решений - проектировщиков и производственников. Как раз сложившееся у широкого круга горняков собственное объяснение неустойчивости выработок, попадающих в зону влияния очистного пространства, не дает возможности правильно спрогнозировать поведение массива и начинает быть тормозом в развитии прогрессивных технологических решений выемки полезного ископаемого. Именно это обстоятельство стало основной побудительной причиной подготовки представленного материала.

Другой причиной изложения практических результатов наблюдений неупругого деформирования массива служит почти полное непонимание среди большинства производственников взаимосвязи между уровнем напряжений в массиве пород, ориентировкой главных напряжений и параметрами принятой системы разработки, а также устойчивостью элементов конструкции системы разработки (целиков, камер и выработок различного назначения). Чаще всего производственники не пытаются вникать в механизм потери устойчивости участка массива, хотя это им страшно мешает в работе. Практически повсеместно они прибегают в таких случаях к термину "неустойчивые породы" вместо правильного определения "неустойчивый массив".

В соответствии с развивающимися идеями о геодинамике месторождений массив пород, приуроченный к глубинным рудовмещающим структурам, находится в состоянии постоянного развития или затухания глубинных земных процессов. Шахтные наблюдения подтверждают, что междублочные подвижки массива на достигнутых горными работами глубинах существуют до начала ведения горных работ, но интенсивность их невысока; и приурочены они, как правило, к крупным нарушениям. С развитием очистных работ взаимное перемещение блочного массива интенсифицируется. В дальнейшем силу приобретает специфический для каждого месторождения пространственно-временной аспект деформирования породного массива в зависимости от его геологической структуры и технологии выемки полезного ископаемого.

Вместе с тем, на любом из месторождений трудно установить этап перехода от общего процесса деформирования массива под влиянием глубинных процессов к процессам деформирования, обусловленного выемкой залежи. Без специальных наблюдений остается неясным вопрос о масштабности деформационных процессов, о последовательности взаимодействия различных блоковых структур, об интенсивности взаимного перемещения блоков и еще ряд деталей, необходимых для понимания исходной деформационной модели среды. Более глубокому пониманию процессов деформирования реальной среды отчасти препятствуют ранее сложившиеся стереотипы изложенные в литературе по геомеханике месторождений, а также не восприятие физики явлений со стороны тех, кто непосредственно ощущает "власть стихии горного давления". Для последних важнее становится результат ведения горных работ, а не результат действия горного давления, влияющий на ведение работ.

Процессы мелкомасштабного деформирования участков массива вблизи очистного пространства целенаправленно изучались не только на перечисленных рудниках, но и еще ряде месторождений: Гайском медноколчеданном месторождении, вольфрамовом месторождении "Восток" в Приморье, Вышневогорском месторождении редких металлов на Южном Урале.

На основании натурных наблюдений автора можно утверждать, что переходный этап от упругого деформирования массива к неупругому деформированию происходит как бы неявно. Например, с внешней стороны просто возникает разрушение контура выработок спустя довольно значительное время после их проходки. Постепенно масштаб разрушения выработок увеличивается, начинается переход от локального "пристеночного" деформирования массива к крупномасштабному разрушению, размеры областей которых можно оценить только косвенно даже при использовании инструментальных наблюдений.

Большие неприятности для горняков представляет переход к динамичному разрушению массива. Сегодня этот переход на удароопасных рудниках пытаются спрогнозировать путем измерения деформаций, учета интенсивности дискования керна в скважинах, изменения механических свойств пород, изменения акустических или электрических свойств пород. Предприятия на такой прогноз вынуждены тратить значительные средства, добиваясь при этом незначительных результатов. Анализ результатов прогноза на шахтах СУБРа в восьмидесятые годы прошлого столетия показал, что масштабные разрушения массива происходят на фоне слабого изменения механических свойств пород. Уровень напряжений в массиве также не играет решающей роли в области генерации динамических явлений. Неоднократно отмечены случаи, когда уровень максимальной компоненты напряжений достигал 0.6 σ_сж пород или руд, однако динамических явлений не происходило. На названных рудниках известны участки массива, где процессы "шелушения" и"стреляния" пород происходили очень интенсивно, но динамических явлений так и не было.

Таким образом установлено, что на одних рудниках, например СУБРе, все деформационные процессы идут в строго установленной нормативными документами последовательности: шелушение и стреляние пород из породных стенок и кровли выработок, микроудары, горные удары и горно-тектонические удары. На других месторождениях некоторые формы послеупругого деформирования пород выражены очень слабо или вовсе отсутствуют. Обычно вся последовательность проявлений неупругого деформирования массива очень растянута по времени. С момента появления шелушения породных стенок до проявления горных ударов проходит длительный период в несколько лет. Именно так происходило на шахтах СУБРа.

Есть и другой пример месторождения, где процессы разномасштабного неупругого деформирования породного массива были как бы "спресованы" во времени и пространстве. Это массив Кургазакского месторождения бокситов. В пределах месторождения проявление неупругого деформирования пород в форме стреляния наблюдалось когда глубина очистных работ была на отметке 300 м от поверхности. Эта форма деформирования пород развивалась интенсивно только на северо-восточном фланге рудной залежи. Там же было зафиксировано большое количество более крупномасштабных динамических разрушений породного массива со стороны кровли очистных камер на площадях до 10-20 м².

Однако крупномасштабные разрушения массива с выделением сейсмической энергии 10 Дж произошли не на северо-восточном фланге залежи, а в ее центральной части, которая отделена от северо-восточного фланга пологопадающим надвигом с амплитудой (на горизонте ведения горных работ ) около 20-30 м. В центральной области залежи мелкомасштабные процессы неупругого деформирования массива протекали в незаметной форме и очень вяло во времени. К моменту площадного разрушения массива признаки неупругого деформирования массива проявились в виде "толчков" из почвы очистных камер.

Что же все-таки является причиной столь сложного деформирования массива? Многие исследователи убеждены, что главная причина нестабильного состояния массива при отработке рудного тела - повышенный уровень действующих в массиве напряжений. К этому высказыванию можно добавить, что необходимым условием неупругого деформирования массива является его тектоническая нарушенность, или его блочное строение. Только выделив эти названные факторы мы не получим полного исчерпывающего ответа на поставленный вопрос. Массив пород всех здесь указанных месторождений - блочный, но напряжения, действующие в массиве месторождений различны.

Автором установлено, что неупругое деформирование массива, приуроченного к очистным камерам, начинается задолго до появления визуально определяемых признаков: стреляние, шелушение и т.д. То есть, оно происходит при сравнительно невысоком уровне действующих в массиве напряжений. Например, смещение отдельных слоев кровли относительно смежных наблюдались на Североуральских бокситовых месторождениях на глубинах до 300 м от поверхности, а динамические явления были отмечены с уровня 400 м.

На данных месторождениях при исследовании деформирования блочного породного массива было установлено, что участки с плавным перемещением массива соседствуют с участками массива, по всем признакам относящимся к удароопасным. С точки зрения процессов неупругого деформирования массива замечена такая закономерность: чем на большей площади развиваются плавные перемещения смежных участков, тем интенсивней и на большей площади реализуются динамические явления.

Чтобы полнее ответить на поставленный вопрос о причинах неупругого деформирования, следует вернуться к геолого-тектоническим особенностям образования месторождения и его развития в последующие геологические периоды. При выделении блочного строения каждого из месторождений начнем с более простой тектонической дислоцированности массива осадочных месторождений, к которым можно отнести бокситовые или марганцевые залежи. Здесь процессы образования рудной залежи происходили в однородных условиях. Последующее перекрытие этих минеральных скоплений велось также в простых геологических условиях седиментации с небольшими осложнениями режимов осадконакопления на той или иной площади. Проявившиеся затем тектонические процессы не были многочисленными и не создали всей палитры дислокаций массива покрывающих пород.

На месторождениях геотермального генезиса массив в пределах залежи в период отложения полезных минералов был уже дислоцирован настолько, что условия образования минералов не были одинаковыми, и рудные тела не консолидировали массив даже на короткий геологический период. В последующие геологические эпохи, когда происходили процессы изменения земной коры в районе расположения залежи, нарастала и дальнейшая дислоцированность массива, включая саму рудную залежь. Поэтому на крутопадающих эндогенных месторождениях степень дислоцированности массива оказывается более высокой, чем на месторождениях осадочного типа. Например массив пород Березовского месторождения имеет густую сеть плоскостей рассланцевания. И, кроме того, этот массив рассечен 3-4 системами протяженных трещин и нарушений, в то время как массив пород Североуральских бокситовых месторождений дислоцирован 2-3 системами трещин и нарушений.

Автором также установлено, что влияние каждой из имеющихся систем трещин в массиве различное. Так, на Уральских месторождениях наибольшее влияние оказывают пологопадающие трещины субмеридионального простирания. Особенно влияние трещин проявляется там, где они выполнены глинкой трения или имеют влажную поверхность. В условиях месторождений Приморского края наибольшее влияние на неупругое деформирование массива оказывают крутопадающие трещины северо-восточного простирания. Нарушения надвигового или сдвигового типа на Приморских месторождениях имеют вторичный характер по отношению к сдвигам.

В связи с разнообразием блочного строения месторождений и преобладающим характером дислокаций на каждом из них становится понятным, что в процессе очистной выемки не следует ожидать одинакового деформационного поведения породного массива вблизи очистного пространства. И дело вовсе не в том, что различается залегание рудных тел, а в том, что массив имеет разную историю развития. При ведении очистных работ массиву задается определенный код неупругого геологического деформирования, который и следует прогнозировать. При ведении очистных работ на участке прогноз устойчивости породного массива следует осуществлять с учетом действуюшего поля напряжений. Основную роль будет играть не максимальное значение главной компоненты напряжений, а минимальное значение минимальной компоненты напряжений и ее ориентировка по отношению к плоскостям трещин.

Резюмируя вышесказанное, разрушения участков горного массива вблизи очистного пространства происходит из-за неупругого деформирования породного массива. Причиной неупругого деформирования являются плоскости дислокаций определенного типа. Взаимному перемещению берегов этих плоскостей способствует увеличение неоднородности поля напряжений на определенных участках массива под влиянием плоскостей обнажения.

Использованные источники:

1. Кузнецов С.В. К вопросу о внезапных выбросах угля и газа /ФТПРПИ N4 -1964.

2. Зорин А.Н. Механика горного удара и выброса /Исследование, прогноз и предотвращение горных ударов. /Материалы IХ Всесоюзной конференции по механике горных пород -Бишкек: Илим, 1991.

© 2002 Николай И. Ермаков