книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

Переход от полярных координат к криволинейным, в которых производится весь расчет, осуществляется по формулам:

В зависимости от четверти, в которой располагается централь­

где б' — значение угла 0, удовлетворяющее условию (7.21). Изложенная выше методика расчета весьма эффективна при

использовании ЭВМ. Имея достаточное число центральных точек на расчетной схеме строят изолинии главных деформаций, траек­ тории их направления. По точкам, в которых деформации превы­ шают критические, отстраивают зону опасных деформаций.

Графическое изображение структуры поля деформаций дает возможность выбрать оптимальные меры охраны существующих объектов, рационально расположить проектируемые сооружения, предусмотреть необходимые конструктивные усиления узлов, ко­ торые будут подвергаться дополнительным нагрузкам.

7.7.ПРОБЛЕМЫ СДВИЖЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

ИОХРАНЫ СООРУЖЕНИИ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ РЕГИОНА

7.7.1. Состояние исследований сдвижения горных пород

Подземные железорудные предприятия Урала группируются в три основных района. На Северном Урале это Серовский эконо­ мический район, где действуют шахты «Первомайская» на Покров­ ском месторождении, «Северопесчанская» на Песчанской группе месторождений и «Капитальная» на Ауэрбаховском месторожде­ нии. Все шахты входят в состав Богословского рудоуправления.

На Среднем Урале предприятия сосредоточены в Тагило-Куш- вииском районе. Здесь в настоящее время действуют пять шахт: «Южная», «Валуевская», «Магиетитовая», «Эксплуатационная» и «Естюнинская», эксплуатирующие соответственно Гороблагодат­ ское, Валуевское, Высокогорское, Лебяжинское и Естюнинское

железорудные месторождения. Все шахты административно нахо­ дятся в составе Горного управления Нижне-Тагильского метал­ лургического комбината.

На Южном Урале среди железорудных предприятий действует одна шахта «Сидеритовая'» Бакальского рудоуправления, разраба­ тывающая Северошиханское месторождение.

В Казахстане подземная добыча железных руд ведется Соко­ ловским подземным рудником Соколовско-Сарбайского ГОКа и шахтой «Западный Каражал» Атасуйского рудоуправления.

Исследования сдвижения горных пород на железорудных ме­ сторождениях Урала начались сравнительно недавно, несмотря на длительную историю добычи железной руды подземным спосо­ бом. Начало систематических исследований можно отнести к 1956—1957 гг., если не считать отдельных разрозненных наблюде­ ний в предвоенные годы.

Столь позднее развитие исследований на Урале по сравнению с другими железорудными районами страны и другими горнодо­ бывающими отраслями обусловлено двумя основными причинами: незначительной производительностью подземных железорудных предприятий и относительно слабой застроениостыо территории на участках месторождений. Послевоенная реконструкция горнодо­ бывающей промышленности, строительство и ввод новых рудников с производительностью 3—5 млн. т руды в год привело к увеличе­ нию производственныхмощностей шахт. Из 11 шахт Урала и Ка­ захстана только две производительностью менее 1 млн. т в год.

Увеличение масштабов добычи, нарушающей равновесие ог­ ромных объемов вмещающих пород и обширных площадей земной поверхности, освоение и застройка прилегающей территории вы­ звали потребность в расширении исследований в области сдвиже­ ния горных пород, в обосновании проектируемых мер охраны соо­ ружений и объектов от подработки и разрушения, в создании нор­ мативных документов.

В 1962 г. Уральским филиалом ВНИМИ на основе инструмен­ тальных наблюдений для железорудных месторождений Урала были созданы временные правила, которые в 1974 г. были замене­ ны постоянными [30].

Быстрое углубление горных работ и расширение масштабов разработки ведут к тому, что в настоящее время на многих ме­ сторождениях принимаемые меры не удовлетворяют требованиям практики, вызывая угрозу подработки охраняемых сооружений или неоправданную консервацию полезного ископаемого в предо­ хранительных целиках. Эмпирический подход к назначению нор­ мативных углов по классификационным признакам месторожде­ ний не в состоянии учесть изменения параметров геомеханической модели месторождения по мере расширения и углубления горных работ и происходящих изменений параметров процесса сдвижения горных пород. Практика требует раскрытия основных закономер­ ностей процесса сдвижения, выделения основных факторов и уче-

та их при назначении нормативных углов сдвижения на различ­ ных стадиях разработки месторождения.

С 1972 г. исследования сдвижения горных пород на железоруд­ ных месторождениях Урала и Казахстана переданы Институту горного дела Минчермета СССР. Система наблюдательных стан­ ций Уральского филиала ВНИМИ к тому времени на большинст­ ве рудников была частично подработана, частично разрушена.

С 1973 г. начата реконструкция и оборудование новых наблю­ дательных станций, по которым в настоящее время ведутся систе­ матические наблюдения на Северопесчанском, Новопесчанском, Гороблагодатском, Валуевском, Высокогорском, Лебяжинском и Соколовском месторождениях. Из железорудных месторождений пока не охвачены наблюдениями Покровское, Естюнинское и Северошиханское на Урале и Западнокаражальское в Казахстане.

Рассматриваемый период для железорудных предприятий Ура­ ла характерен заметным увеличением глубин на действующих и освоением глубокозалегающих рудных тел на вновь построенных рудниках. Так, если на Высокогорском месторождении в 1970 г. горные работы велись на глубинах 210—290 м, то в настоящее время разработка ведется на глубинах 450—530 м и осваиваются глубины 600—650 м. На шахте «Северопесчанская»* разработка была начата с глубин 290 м и в настоящее время достигла 450— 530 м. На аналогичных глубинах ведутся горные работы на Ле­ бяжинском месторождении.

С ростом глубины в развитии процесса сдвижения наметилась важная тенденция — существенным образом расширилась зона плавных сдвижений. Если при разработке верхних горизонтов гра­ ницы зоны трещин и зоны критических деформаций в большинстве случаев совпадали, то с переходом на глубины 300—400 м и более границы зоны критических деформаций во многих случаях отодви­ нулись от границы зоны трещин в глубину массива. И в этой зоне заметны проявления определенных закономерностей деформирова­ ния земной поверхности.

Инструментальные наблюдения, выполненные в последние го­ ды на железорудных,.месторожденнях в зоне плавных сдвижений, позволили выявить в отдельных случаях ряд особенностей дефор­ мирования земной поверхности, противоречащих современным сло­ жившимся понятиям в сдвижении горных пород. Некоторые из этих противоречий, касающиеся горизонтальных сдвижений зем­ ной поверхности, нашли себе объяснения в концепциях, утверж­ дающих взаимосвязь между напряженным состоянием массива горных пород и параметрами горизонтальных сдвижений земной поверхности, изложенных выше.

Из комплекса исследований, выполненных на. железорудных месторождениях Урала и Казахстана в области сдвижения горных пород и охраны сооружений на подземных рудниках, ниже изла­ гаются наиболее крупные, получившие практический выход на предприятиях.

7.7.2. Сдвижение горных пород на Северопесчанском железорудном месторождении

Сдвижение массива пород лежачего бока в процессе подземной разработки Северопесчанского железорудного месторождения ха­ рактеризуется неестественным выполаживанием граничных углов и углов сдвижения (соответственно до 31 и 44°) и вызывает серьез­ ные опасения за сохранность и безопасную эксплуатацию капиталь­ ных сооружений шахты и ее центральных стволов.

Рис. 7.12. Поперечный разрез рудного тела:

/ — центральные стволы; 2 — предохранительный целик лежачего бока; 3 — рудное тело

Подобные явления встречались ранее в практике разработки рудных месторождений Урала, Кривого Рога и Горной Шории [29, 39]. Причем чрезмерное выполаживание углов сдвижения имело место как в висячем, так и в лежачем боках, а на Таштагольском месторождении пологие углы сдвижения проявились в торце за­ лежи.

Крепость, структура пород, размеры и форма выработанного пространства и другие факторы, принимаемые во внимание при оп­ ределении параметров сдвижения горных пород, в этих случаях не дают убедительного объяснения происходящим процессам.

Северопесчанское месторождение представлено рудным телом сложной формы, залегающим в интервале глубин от 250 м до 800 м (рис. 7.12). Центральная часть протяженностью около 600 м пада­ ет на восток под углом 70—80°. На северном и южном флангах, имеющих примерно такие же размеры по простиранию, рудное те­ ло переходит в наклонные и пологие участки. Общая протяжен­ ность рудного тела в меридиональном направлении составляет око­ ло 2000 м (рис. 7.13).

Лежачий бок залежи сложен порфиритами и их туфами с / = = 10-Ы2, а висячий бок — диоритами с / = 8-4-10. Непосредственно над рудным телом до поверхности залегают слабые трещиноватые скарны с /=3-г-5 .

Рудное тело вскрыто тремя центральными и двумя фланговыми стволами. Промышленный комплекс шахты проектной мощностью 5 млн. т сырой руды расположен у центральных стволов, где руд-

16 ю а 8а

Рис. 7.13. Продольный разрез рудного тела:

1 — центральные стволы; 2 — барьерный целнк; 3 — рудное тело

ное тело распространяется на максимальную глубину до 800 м. Стволы и капитальные промышленные сооружения отнесены за проектную границу зоны опасных сдвижений, отстроенную от пре­

дельной глубины залегания рудного тела под углами сдвижения

р = р,=60°

Разработка месторождения началась в 1968 г. с горизонта

— 80 м, находящегося на глубине 290 м от поверхности. Через три года в результате соединения выработанного пространства гор.

— 80 м и северного фланга гор. — 160 м общий пролет подработки по простиранию достиг 270 м и обрушение вышло на поверхность (рис. 7.14) . В последующие два года сдвижение горных пород раз­ вивалось в обычной форме для месторождений подобного типа и имело довольно крутые углы сдвижения (табл. 7.4).

Аномалии в развитии процесса сдвижения пород лежачего бока и угроза сооружениям промплощадки возникли весной 1973 г. В процессе доработки запасов горизонта —160 м, когда общий пролет выработанного пространства по простиранию по-прежнему

составлял 270 м, углы сдвижения пород лежачего бока выположились до 44°.

При глубине разработки 370 м, превышавшей пролет подработ­ ки по простиранию в 1,4 раза, для вмещающих пород не были до­ стигнуты условия полной подработки, поэтому столь пологие углы сдвижения были противоестественны, не свойственные железоруд­ ным месторождениям Урала, особенно при указанных соотношени­ ях глубины разработки и размеров выработанного пространства.

Выполаживание углов сдвижения привело к подработке времен­ ных объектов промплощадки шахты, в том числе открытого склада оборудования с подъездными железнодорожными путями, козло­ вым краном и высоковольтной ЛЭП. Дальнейшее углубление гор­ ных работ требовало принятия мер по обеспечению сохранности капитальных сооружений шахты, включая центральные стволы.

В соответствии с рекомендациями специальной комиссии, счи­ тавшей, что основной причиной выполаживания углов сдвижения явились тектонические зоны дробления в массиве пород лежачего бока, для охраны промплощадки шахты в лежачем боку залежи оставлен, предохранительный целик с общими запасами 14,6 млн. т руды. Граница его отстраивалась по породам лежачего бока под углом 45°, а по рудному телу под углом 65°.

Кроме того, в осях оставлен поперечный барьерный целик ши­ риной 100 м с запасами руды .8 млн. т, который должен разделить мульду сдвижения на две обособленные зоны и не допустить созда­

ния условий полной подработки пород лежачего бока на участке промплощадки.

Принятые меры, соответствующие положениям современной теории сдвижения горных пород, не дали ожидаемого эффекта. Мульда сдвижения, как следует из инструментальных наблюдений, продолжает развиваться преимущественно вкрест простирания рудного тела и в настоящее время захватила всю промплощадку

центральных стволов (см. рис. 7.12, 7.14). За прошедшие пять лет, в течение которых был отработан следующий нижележащий гори­ зонт —240 м, углы сдвижения пород висячего бока выположились с 73 до 58° Граничные углы за этот же период изменились по вися­ чему боку с 66 до 37°, а по лежачему — с 38 до 31°

Углы сдвижения пород лежачего бока сохранили прежние зна­ чения за счет перемещения границы зоны сдвижения в глубь промплощадки на расстояние, соответствующее высоте этажа. На пло­ щадке бермы безопасности центральных стволов вертикальные осе­ дания возросли до 13—16 мм, горизонтальные растяжения по про­ фильным линиям составили 0,7 мм/м.

Таким образом, несмотря на значительный объем консервации руды в предохранительных целиках, составивший около 15 % от запасов рудного тела, деформации массива пород вокруг централь­ ных стволов достигли критических значений, хотя на эксплуатаци­ онных качествах стволов эти деформации не сказались.

Исследования сдвижения горных пород, выполненные ИГД Минчермета СССР на месторождении путем изучения первоначального напряженно-деформированного состояния массива горных пород и закономерностей его изменения в процессе разработки месторож­ дения, дают некоторое представление о механизме деформирова­ ния вмещающих пород и причинах аномального развития мульды сдвижения в породах лежачего й висячего боков. Инструменталь­

ные измерения сдвижений в промышленных условиях в сочетании с аналитическими исследованиями аппаратом теории упругости по­ зволили установить, что горизонтальные сдвижения земной поверх­ ности вокруг провала от подземных горных работ подчиняются тем же законам, что и деформации вокруг .отверстия соответствующей формы, образуемого в нагруженной плоскости.

Методами, базирующимися на указанных взаимосвязях, были измерены интегральные параметры естественного поля напряже­ ний, действующего в горизонтальной плоскости в массиве горных пород на участке месторождения, которые имеют следующие зна­ чения: (Ti= — 1,5 МПа; о2 = — 9,6 МПа; а = 96°, где О], Оц — главные нормальные напряжения; а — азимут направления действия oi [56].

Анизотропия первоначальных напряжений предопределила ха­ рактер развития процесса сдвижения при разработке месторож­ дения.

Выход провала на поверхность, имевшего в плане форму, близ­ кую к кругу, вызвал в окружающем массиве горных пород перерас­ пределение напряжений. На участках зоны плавных сдвижений, примыкающих к провалу с лежачего и висячего боков, возникли области высокой концентрации тангенциальных нормальных на­ пряжений при незначительных изменениях радиальных нормальных напряжений. В результате происшедших изменений первоначаль­ ная анизотропия, характеризуемая отношением cri/or2= 1/6, стано­ вится более выраженной; соотношение между главными нормаль­ ными напряжениями в указанных областях изменяется до 1/18.

Возросшая анизотропия горизонтальных напряжений в породах висячего и лежачего боков создает идеальные условия для возник­ новения деформаций и разрушений сдвига северо-восточного и се­ веро-западного направлений, которые в лежачем боку близки к на­ правлению основных систем трещин.

Преимущественное расширение зоны обрушения вкрест прости­ рания рудного тела из-за разрушений в породах висячего и лежа­ чего боков преобразует форму зоны обрушения в плане из круга в эллипс, вытянутый вкрест простирания по направлению действия меньших сжимающих напряжений. Это ведет к дальнейшему воз­ растанию сжимающих напряжений на участках висячего и лежа­ чего боков, прилегающих к главному сечению мульды сдвижения, до 34,0—35,р МПа и перемещению зоны разрушения в глубину промплощадки.

Следовательно, ограничение объема очистных работ и размера выработанного пространства по простиранию барьерным целиком вместо достижения положительного эффекта за счет создания ус­ ловий неполной подработки пород лежачего и висячего боков в кон­ кретных условиях месторождения привело к неблагоприятному рас­ пределению напряжений, вызывающему дальнейшее выполаживание углов сдвижения. Разработка .нижележащих горизонтов без из­ менения геомехадических условий может.; нарушить ^нормальную

эксплуатацию центральных стволов шахты или полностью вывести их из строя.

Для обеспечения сохранности и дальнейшей нормальной эксплу­ атации стволов необходимо изменить напряженно-деформирован­ ное состояние вмещающих пород —уменьшить концентрацию на­ пряжений в породах лежачего бока и сместить главное сечение мульды сдвижения из района промплощадки. В условиях анизот­ ропного поля горизонтальных напряжений с действием преоблада­ ющего сжатия по простиранию рудного тела необходимый эффект может быть получен путем придания зоне обрушения вытянутой по простиранию формы.

Отработка барьерного целика и соединение выработанных про­ странств центрального и южного участков при одновременном ограничении очистных работ с севера по разведочной линии 16 приведет к образованию зоны обрушения, вытянутой по простира­ нию иа 1 км после разработки горизонта —240 м и на 1,3 км после разработки горизонта —320 м. При этом главное сечение мульды сдвижения сместится на 500 м южнее центральных стволов.

Изменения формы и ориентировки зоны обрушения относитель­ но направления действия максимального сжатия снизят концентра­ цию сжимающих напряжений в породах лежачего и висячего боков с —30,0—35,0 МПа до —15,0 МПа, а в районе стволов с —190— 200 МПа до —11,0—11,5 МПа, что лишь на 15—20% превышает значения первоначальных напряжений. Снижение уровня концен­ траций напряжений в районе стволов в значительной мере улучшит их положение, уменьшит на 1,0—1,5 мм/м деформации и.предотвратит их развитие во времени от действия меридиональных сжимаю­ щих напряжений.

Таким образом, развитие процесса сдвижения на Северопесчанском месторождении свидетельствует, что между компонентами естественного поля напряжений нетронутого массива пород и па­ раметрами сдвижения вмещающих пород существует непосредст­ венная взаимосвязь. В условиях Северопесчанского месторожде­ ния, где естественное поле напряжений в горизонтальной плоско­ сти характеризуется высокой степенью анизотропии, влияние на­ пряженного состояния на параметры сдвижения проявилось осо­ бенно контрастно.

Предлагаемые меры охраны сооружений промплощадки шахты от подработки включают элементы управления сдвижением гор­ ных пород, состоящие в целенаправленном взаимодействии на фор­ мирование вторичного напряженно-деформированного состояния в зоне влияния горных работ. Снижение уровня концентрации на­ пряжений и изменение характера напряженного состояния, исклю­ чающие возникновение опасных деформаций на участках располо­ жения'охраняемых объектов, достигаются применением соответст­ вующей схемы разработки месторождения, обеспечивающей необ­ ходимые размеры, форму и расположение выработанного простран­ ства относительно направления действия главных нормальных на­ пряжений.

Внедрение рекомендуемых схемы и порядка разработки место­ рождения не потребует дополнительных затрат и наряду с обеспе­ чением безопасности центральных стволов шахты позволит вовлечь в эксплуатацию около 8 млн. т руды, консервируемой в барьерном целике. Разработка барьерного целика началась с 1981 г.

7.7.3. Сдвижение горных пород на Высокогорском железорудном месторождении

Разработка одного из крупнейших на Урале Высокогорского месторождения магнетитовых руд тесным образом сопряжена с про­ блемами наиболее полного использования сырьевых ресурсов и обеспечения безопасной эксплуатации объектов, попадающих в зо­ ну влияния горных работ. Эти проблемы особенно остро встали в последнее время, когда расширение зоны опасных сдвижений со­ здало угрозу подработки ряду зданий и сооружений г. Нижнего Тагила.

Высокогорское месторождение занимает обширную территорию и разрабатывается комбинированно: северо-западная часть откры­ тым способом «Главным карьером», юго-восточная — подземным шахтой «Магнетитовая». Участок месторождения, отрабатываемый подземным способом, представлен обособленными залежами, кото­ рые по своим структурным особенностям и геологическому строе­ нию объединяются в два рудных пояса: Восточный и Западный.

Восточный рудный пояс прослеживается через все месторожде­ ние и, имея протяженность около 1,5 км, делится на три участка: Восточно-Ревдинский, Западно-Ревдинский и Ново-Меднорудян- ский. Естественные границы участков образованы крупными текто-1 ническими нарушениями. Геологическое строение всех трех участ­ ков сходное. В лежачем боку наиболее распространены роговики (/= 13-Н4), а в висячем боку порфириты и их туфы (/=11 -М2). Рудоносная зона представляет серию пластообразных рудных тел (/ = 8-МО) с углом падения 55—70° и мощностью 3—19 м. Рудные тела чередуются с оруденелыми и безрудными породами, причем мощность пропластков с глубиной увеличивается.

Рудные тела Западного пояса, в отличие от Восточного, имеют

210 м до —210 м. Максимальная площадь горизонтального сече­ ния находится на отметке —50 м, на глубине 320 м от поверхно­ сти. Ниже рудное тело резко выклинивается. Северо-западная гра­ ница блока на верхних горизонтах совпадает со сбрососдвигом «Средним». Угол падения залежи составляет 65—70°.

Геологический блок 21 представляет собой слепую залежь маг­ нетитовых руд (/=8-^10), начинающуюся с отметки —40 м и на