Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование мер безопасности при разработке жильных месторождений Восточного Приморья

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование мер безопасности при разработке жильных месторождений Восточного Приморья"

На правах рукописи

005043иу. УГс?

Потапчук Марина Игоревна

ЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОГО ПРИМОРЬЯ

Специальность 25.00.20 - "Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7

2012

Хабаровск - 2012

005043091

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИГД ДВО РАН)

Научный руководитель: Курсакин Геннадий Андреевич

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Макаров Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

Серяков Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией механики горных пород института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения российской академии наук, г. Екатеринбург.

Защита состоится: 29 мая 2012 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета ДМ 005.009.01 при Институте горного дела ДВО РАН по адресу ул. Дзержинского, 54, конференц-зал. Отзывы на автореферат просьба присылать ученому секретарю диссертационного совета на адрес: 680000, г. Хабаровск, 51. тел./факс: (4212) 32-79-27, ЕтаП: adm@igd.khv.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела ДВО РАН.

Автореферат разослан «Л 6 » апреля 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^у *

кандидат технических наук, доцент у/ЬОт^ ' С.И. Корнеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проблема опасных проявлений горного давления и удароопасности на подземных рудниках существует уже длительное время. Неизбежное при подземной разработке горное давление на глубоких горизонтах и в условиях действия высоких напряжений может проявляться в динамической форме и приводить к внезапным разрушениям горных конструкций и участков разрабатываемого массива, создавая серьезную угрозу жизни работающим, нарушая нормальный ход ведения горных работ и снижая эффективность горного производства.

Решение проблемы управления горным давлением, весьма актуальной для целого ряда подземных рудников Дальневосточного региона, во многом сдерживается из-за недостаточной изученности природы и механизма геомеханических процессов и явлений, возникающих с углублением горных работ в тектонически нарушенном массиве горных пород под влиянием многочисленных природных и техногенных факторов. Особенно сложная геомеханическая обстановка складывается при отработке жильных месторождений Восточного Приморья, подобных Южному полиметаллическому, на котором случаи горных ударов были отмечены уже на сравнительно небольшой глубине - около 170 м. Такие, свойственные именно жильным месторождениям, факторы как структурная неоднородность, сложная геометрия формирующихся выработанных пространств, наличие многочисленных и разнообразных целиков, могут приводить к перераспределению и опасной концентрации напряжений в разрабатываемом рудном массиве и являться дополнительными причинами динамических проявлений горного давления.

С углублением горных работ на отдельных месторождениях Дальневосточного региона (Южное, Забытое и ряд других) наблюдается изменение горно-геологических условий их разработки, заключающееся в изменении параметров и элементов залегания рудных тел (мощности, угла падения, морфологии жил и др.) и механических характеристик литологиче-ского комплекса. Все эти факторы также могут оказывать непосредственное влияние на геомеханическое состояние массивов горных пород, учет которого необходим для обоснования мер безопасности при отработке удароопасных участков месторождений.

Геомеханическое обоснование мер безопасности при разработке удароопасных месторождений жильного типа, наиболее полно отвечающее установленным горно-геологическим и горнотехническим факторам, позволит разрабатывать эффективные технические и технологические реше-

ния, что является актуальной научной задачей, имеющей существенное научно-практическое значение для развития горнодобывающей отрасли нашей страны.

Работа основана на результатах исследований, выполненных при непосредственном участии автора по плановым темам НИР Института горного дела ДВО РАН: «Создание теоретических и методических основ прогнозирования геомеханических процессов для предупреждения горных ударов (техногенных катастроф) при подземном освоении месторождений твердых полезных ископаемых» (№ ГР 01200953151), а также в рамках проекта РФФИ № 09-05-00533-а «Выявление закономерностей и обоснование моделей формирования очагов горных и горно-тектонических ударов в природно-техногенных геодинамических системах», интеграционного проекта с СО и УрО РАН № 09-ІІ-СУ-08-001 «Моделирование и экспериментальные исследования процессов формирования очагов горных и горно-тектонических ударов в геодинамически активных массивах горных пород» и проекта фундаментальных исследований молодых ученых ДВО РАН № 10-ІІІ-В-08-218, «Выявление закономерностей формирования техногенного поля напряжений удароопасного горного массива в условиях высокой изменчивости параметров рудных тел».

Цель работы состоит в геомеханическом обосновании и разработке мер безопасности при освоении жильных месторождений Восточного Приморья, склонных и опасных по горным ударам.

Идея работы заключается в том, чтобы на основе выявленных закономерностей формирования полей напряжений вокруг выработанных пространств в структурно неоднородном массиве горных пород жильных месторождений заблаговременно определить потенциально удароопасные участки и разработать комплекс профилактических мер безопасности.

Задачи исследований:

- изучить структурно-геологические, горнотехнические и геомеханические условия разработки месторождений Южное и Забытое, являющихся типовыми представителями жильных месторождений Восточного Приморья;

- обосновать граничные условия для численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород, разработать и реализовать конечно-элементные модели для оценки техногенного поля напряжений;

- оценить степень влияния условий и элементов залегания рудных тел на величину и характер распределения напряжений в рудно-породном массиве;

- установить закономерности формирования природно-техногенных полей напряжений на различных стадиях отработки сложноструктурных жильных месторождений;

- разработать рекомендации по повышению безопасности горных работ в условиях динамических проявлений горного давления.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, который включает: анализ и обобщение данных о современных геодинамических процессах в восточной части Амурского геоблока, натурные и лабораторные исследования напряженного состояния и механических свойств пород и руд, численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в плоской и объемной постановке, статистический анализ полученных результатов.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Геомеханические условия отработки и склонность к горным ударам жильных месторождений Восточного Приморья (Южное, Забытое и др.) определяются их приуроченностью к активным геодинамическим элементам Амурского геоблока, особенностями геолого-структурных характеристик и применяемых технологий разработки месторождений.

2. На напряженное состояние целиков и краевых частей рудного и породного массивов месторождений жильного типа определяющее влияние оказывает длина выработанного пространства и угол падения рудных тел, изменение которых приводит к увеличению в 2,5-3,0 раза уровня первоначальных напряжений в конструктивных элементах системы разработки подэтажными штреками.

3. Повышение геомеханической безопасности горных работ при отработке месторождений жильного типа обеспечивается применением установленного комплекса профилактических мер, состав и параметры которых определены в зависимости от величины и направления действия главных напряжений в разрабатываемом массиве горных пород и от особенностей применяемых геотехнологий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: достаточным объемом экспериментальных данных, корректным выбором используемых математических моделей геомеханического состояния горного массива, комплексной постановкой исследований и хорошей сходимостью полученных результатов (теоретические расчеты

концентраций напряжений подтверждаются визуальными наблюдениями за проявлениями горного давления).

Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем:

- установлена взаимосвязь исходного напряженного состояния массивов месторождений Южного и Забытого с особенностями структурных элементов и региональных геодинамических процессов в восточной части Амурского геоблока;

- определены характеристики и особенности изменения с глубиной физико-механических свойств литологического комплекса нижней части месторождения Южное;

- установлена зависимость уровня напряжений в целиках от высоты столба магазинированной руды при системе разработки с магазинирова-нием руды блоками;

- выявлены закономерности формирования техногенного поля напряжений в конструктивных элементах системы разработки подэтажными штреками в условиях высокой изменчивости элементов залегания рудных тел;

- получены количественные зависимости, связывающие коэффициенты концентрации нормальных напряжений с наиболее значимыми параметрами элементов залегания рудных тел;

- разработаны меры безопасности и рекомендации по повышению ударобезопасности при очистной выемке рудных тел.

Личный вклад автора заключается в:

- постановке задач, их решении и анализе полученных результатов по вопросу изучения изменений геомеханического состояния массивов горных пород в процессе разработки жильных месторождений Восточного Приморья;

- проведении экспериментальных исследований удароопасности массива месторождений, включая изучение механических свойств горных пород;

- обосновании граничных условий, разработке объемных конечно-элементных моделей и выполнении расчетов напряженно-деформированного состояния разрабатываемого массива горных пород;

- выявлении закономерностей формирования природно-техногенных полей напряжений при отработке жильных месторождений Южное и Забытое в условиях высокой изменчивости параметров и элементов залегания рудных тел;

- разработке мер безопасности и рекомендаций по управлению динамическими проявлениями горного давления на месторождениях Южное и Забытое.

Практическая ценность работы заключается в использовании полученных результатов при обосновании технологических решений и планировании горных работ на месторождениях Южном, Забытом и других, характеризующихся сходными горно-геологическими и геомеханическими условиями. Предложенные рекомендации по управлению горным давлением направлены на повышение геомеханической безопасности горных работ и существенно снижают риск динамических проявлений горного давления.

Реализация работы. Полученные результаты исследований использованы при составлении «Указаний по безопасному ведению горных работ на Николаевском и Южном месторождениях (ОАО «ГМК «Дальполиме-талл»), опасных по горным ударам», а также при разработке проектно-технической документации на отработку удароопасных участков месторождений Южное и Забытое.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 5-ой и 7-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2008, 2010 гг.); международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства, маркшейдерского дела и недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.); IX, X краевых конкурсах молодых ученых (г. Хабаровск, 2009 и 2010 гг.); III и IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2009 и 2010 гг.); IV всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, 2010 гг.); ХХ1-ой международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 2011 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 в изданиях рекомендованных ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, и включает в себя 9 таблиц, 57 рисунков и список использованных источников, содержащий 156 наименований.

Автор считает своим долгом выразить благодарность д-ру техн. наук Г.А. Курсакину, д-ру техн. наук И.Ю. Рассказову, д-ру геол.-минер, наук Б.Г. Саксину, канд. техн. наук В.И. Мирошникову и другим коллегам ИГД ДВО РАН за ценные советы и помощь при подготовке диссертационной работы, а также специалистам ОАО «ГМК «Дальполиметалл» за содействие в проведении экспериментальных исследований и внедрении полученных рекомендаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена изучению состояния вопросов геомеханической безопасности в условиях динамических проявлений горного давления.

Проблема прогноза и предотвращения опасных динамических проявлений является одной из наиболее сложных в геомеханике и весьма актуальной, в том числе и для рудников Дальневосточного региона России. Эффективная и безопасная отработка удароопасных месторождений в значительной степени зависит от изученности напряженного состояния массива горных пород и их физико-механических свойств и во многом определяется своевременностью и точностью учета параметров геомеханических процессов при обосновании технологических решений и методов управления горным давлением.

Значительный вклад в теорию и практику подземной разработки месторождений и исследование причин и механизмов горного давления внесли Авершин С.Г., Айтматов И.Т., Ватутина И.М., Влох Н.П., Ватутин С.А., Егоров П.В., Кулаков Г.И., Куксенко B.C., Петухов И.М., Шабаров А.Н., Шрепп Б. В., Филинков A.A., Фрейдин A.M. и другие. В работах перечисленных авторов установлено, что основными условиями возникновения горных ударов являются напряженно-деформированное состояние массива горных пород и склонность горных пород к накоплению упругой энергии деформации и хрупкому разрушению. Особенности проявлений горного давления при разработке жильных месторождений изучали Айтматов И.Т., Курсакин Г.А., Сосновский Л.И., Ялымов Н.Г. и другие. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния породных массивов показали, что большинству рудных месторождений присуще наличие неоднородного тектонического поля напряжений, изучение особенностей которого отражено в работах Айтматова И.Т., Барышникова В.Д., Зубкова A.B., Козырева A.A., Кожогулова К.Ч., Курлени М.В., Леонтьева A.B., Мансурова В.А., Рас-сказова И.Ю., Сашурина А.Д., Языкова И.С. и др.

Для жильных месторождений характерны значительная изрезанность горного массива, высокие прочностные и упругие свойства его литологических разновидностей, наличие целиков различного назначения и высокая изменчивость элементов залегания рудных тел. Однако, влияние многих горногеологических факторов, в том числе - изменчивости элементов залегания рудных тел на параметры формирующихся техногенных полей напряжений и удароопасность отдельных элементов горных конструкций остается недостаточно изученным.

Среди многообразия разработанных и используемых к настоящему времени методов и средств исследования геомеханического состояния массива на месторождениях для решения подобного типа задач особое внимание заслуживают методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния горных пород. Большой вклад в их разработку внесли Барях A.A., Гузев М.А., Зотеев О.В., Кузнецов C.B., Константинова С.А., Макаров А.Б., Линьков A.M., Макаров В.В., Назаров Л.А., Назарова Л.А., Опарин В.Н., Савченко С.Н., Серяков В.М. и др.

В особую группу жильных месторождений можно выделить ударо-опасные и склонные к горным ударам месторождения, расположенные в восточной части Приморского края и характеризующиеся весьма разнообразными и сложными горно-геологическими условиями разработки. К наиболее удароопасным из них относится полиметаллическое месторождение Южное, на котором первые сильные горные удары были отмечены уже на глубине 170 м от поверхности. Анализ геомеханической ситуации на месторождении свидетельствует, что с углублением горных работ происходит существенная активизация геодинамических процессов в результате действия высоких тектонических напряжений и значительного объема непогашенного выработанного пространства, которая приводит к росту количества и интенсивности динамических проявлений горного давления. Месторождение вольфрамовых руд Забытое, имеющее схожее геологическое строение, находится на начальной стадии освоения, но при разработке его нижней части прогнозируются проявления динамических форм горного давления.

Повышение эффективности и безопасности разработки жильных месторождений, склонных и опасных по горным ударам, в силу специфики геологического строения каждого месторождения и складывающихся горнотехнических ситуаций при их разработке, может быть обеспечено только при комплексном подходе, предусматривающем сочетание натурных и теоретических исследований. Математическое моделирование численны-

ми методами позволяет как в процессе эксплуатации, так и на стадии проектирования выделить потенциально удароопасные участки горного массива и установить важные закономерности формирования техногенных полей напряжений, учитывающие особенности геологического строения месторождений и параметры применяемых технологических схем разработки и обосновать эффективные меры безопасности.

По результатам анализа состояния проблемы разработки и обоснования мер геомеханической безопасности, существующих методов изучения геомеханического состояния и имеющихся в этой области достижений были сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена анализу и оценке современного поля напряжений участка земной коры в районе месторождений Восточного Приморья, геологических и горнотехнических особенностей их разработки, исследованиям физико-механических свойств горных пород.

Современное региональное поле напряжений в районе месторождений Южное и Забытое определяется их расположением в геодинамически активной части Амурского геоблока в зоне активного взаимодействия Охотоморской и Амурской литосферных плит в полосе непосредственного влияния Восточно-Азиатской глобальной сдвиговой зоны. Приуроченность месторождений к тектонически активному району земной коры, для которой характерен эффект весьма неравномерного напряженного состояния участков массива горных пород, находящегося под воздействием как техногенных, так и неотектонических процессов, накладывает отпечаток на локальную геодинамическую систему, а, следовательно, и на характер динамических проявлений горного давления.

Для повышения достоверности прогноза негативных геодинамических явлений требуется учесть природный фон, на котором формируется более локальная техногенная система. По результатам численного моделирования наиболее общих закономерностей формирования региональных природных полей напряжений Амурского геоблока (Рассказов И.Ю.,

2006), районирования территории на области с разным современным геодинамическим режимом (Леви К.Г., Шерман С.И., Саньков В.А. и др.,

2007), обобщения накопленных данных GPS - измерений (Тимофеев и др.

2008), установлено, что район месторождений характеризуется преобладанием субгоризонтальных сжимающих напряжений, которые ориентированы в направлении от субширотного до северо-восточного и превышают гравитационную составляющую в 1,8-2,5 раза (рис. 1).

Рис. 1. Позиция удароопасных месторождений в современных структурах Амурского геоблока: 1 - сейсмоге-нсрирующие разломы, ограничивающие Амурский гсоблок; 2 - разломы, ограничивающие внутренние блоки литосферной плиты, ранжированные по порядку: а - первого порядка, б — второго порядка, в - третьего порядка; 3 - жесткая часть Западного блока с относительно спокойным современным тектоническим режимом; 4 - направление вектора главного горизонтального напряжения, установленного в выработках удароопасных

месторождений: Н - Николаевское, Ю - Южное, П - Партизанское, В - Восток-2, Пр - Перевальное, X -Хинганское, А - Антей, Д - Дарасунское, И - Ирокиндинское, 3-Х — Зун-Холбинское; 5 - направление вектора современных горизонтальных перемещений поверхности земной коры, установленное по данным GPS-измерений; 6 - 10 - области с разным гсодинамическим режимом (по Леви, Шерману,2007): 6 - области тектонически нейтрального напряжённого состояния; 7 - области сжатия; 8 - области сдвига; 9- области сжатия

со сдвигом; 10 - области растяжения

По результатам выполненных лабораторных и натурных исследований было установлено, что прочностные характеристики (предел прочности на сжатие) вмещающих пород и сульфидных руд нижней части Южного месторождения (ниже горизонта 550 м) характеризуются средними значениями (118 и 78,6 МПа соответственно) и возрастают с глубиной, а также высоким модулем упругости (модуль упругости достигает значений до 100 ГПа и более).

Выявленные особенности современного регионального поля напряжений и уточненные физико-механические свойства пород нижних горизонтов были использованы для обоснования граничных условий при математическом моделирования НДС массивов горных пород.

Кроме близкой геотектонической и географической позиций месторождения Южное и Забытое характеризуются схожими геологическими условиями залегания, представляя из себя систему маломощных рудных жил и прожилковых зон. Однако при этом имеется ряд геолого-структурных и горнотехнических особенностей разработки.

Изменение элементов залегания рудных тел на глубоких горизонтах Южного месторождения вызвало необходимость применения технологии с комбинированием двух систем разработки: подэтажными штреками (для отработки верхней части блока) с проходкой промежуточных подэтажных штреков и с распорной крепью (нижней части). Отработку Забытого месторождения планируется вести системой разработки с ма-газинированием руды со скважинной отбойкой слоями в направлении снизу вверх. Для установления степени потенциальной удароопасности основных конструктивных элементов применяемых систем разработки (целиков) выполнена их типизация, учитывающая степень влияния основных природных и технологических факторов. К первым отнесены: глубина залегания, уровень исходных напряжений, угол падения рудных тел, геомеханические свойства вмещающих пород и руд, ко вторым - параметры и тип целиков. Именно целики, особенно уменьшающиеся в процессе очистной выемки, являются наиболее удароопасными элементами систем разработки, и требуют более детального геомеханического изучения.

В третьей главе приведены результаты исследований закономерностей формирования техногенных полей напряжений под влиянием горных работ в условиях изменчивости элементов и параметров залегания рудных тел.

Объемное моделирование НДС массива горных пород на Южном месторождении методом конечных элементов* позволило установить, что применение комбинированной системы разработки в условиях глубоких горизонтов приводит к формированию зон повышенных напряжений в междукамерных целиках и краевых частях массива, преимущественно в двух верхних подэтажах, при этом рост нормальных напряжений (среднего давления) происходит прямо пропорционально увеличению длины выработанного пространства Ь, достигая максимума (до 100 МПа и более) при полной отработке блока (рис. 2). Ситуация осложняется при полной отработке соседнего очистного блока: в этом случае напряжения в целиках увеличиваются на 25-30 %.

* программный комплекс БЕМ, разработан проф. Зотеевым О.В.

12

Наряду с действующими в массиве высокими тектоническими напряжениями важным фактором является изменчивость элементов и параметров залегания рудных тел, влияние которой было детально исследовано для условий Южного месторождения.

Изменение мощности рудного тела с 3 до 0,75 м приводит к снижению напряжений в верхних целиках на 15-20 %. Определяющее влияние на уровень напряжений оказывают изменение угла падения рудных тел р и увеличение длины выработанного пространства Ь. Так, по мере увеличения длины выработанного пространства в процессе отработки очистного блока уровень нормальных и касательных напряжений в междукамерных охранных целиках шириной 3 м превышает уровень исходных в 3 раза, приближается к пределу прочности пород на сжатие и свидетельствует об их высокой удароопасности (рис. 3.)

В ш

40 50

Рис. 2. Распределение средних нормальных напряжений <уср в конструктивных элементах системы разработки месторождения Южное на различных стадиях отработки очистного блока (в проекции на наклонную плоскость при т = 3 м; = 40°) в -1 = 10 м; б - /, = 40 м

Изменение напряжений в массиве верхнего подэтажа происходит прямо пропорционально изменению угла падения, а геомеханические процессы в массиве междукамерного целика имеют более сложный характер; уровень напряжений в зависимости от величины /? увеличивается в 2,2-2,8 раза.

а

б

3,5 3 2,5 2 1,5

10 20 30 40 /., и 90 75 60 45 Ъ.град

Рис. 3. Изменение К„ в массиве верхнего подэтажа (1) и в соответствующем участке междукамерного целика (2) в зависимости от: а) длины выработанного пространства Ь (при т = 3 м; (3= 40°), б) угла залегания рудного тела /? (при т = 3 м; Ь = 20 м)

По результатам анализа множественной регрессии получены количественные зависимости (с коэффициентом корреляции не менее 0,83), связывающие коэффициент концентрации нормальных напряжений с мощностью рудного тела и длиной выработанного пространства для месторождения Южное, позволяющие оценивать уровень действующих в массиве напряжений с учетом особенностей геологического строения.

Для массива междукамерного рудного целика верхнего подэтажа эта зависимость имеет вид:

Ка = -0,033 +1,617 • т - 0,339 • т1 + 0,063 • Ь - 3,68 • 10~4 • Ь2 (1) - для краевой точки рудного массива верхнего подэтажа:

^ = 0,351-0,05 ■ от - 0,451 ■ т2 + 0,175 • Ь - 2,781 • 10"3 • Ь2 (2) где К„ - коэффициент концентрации нормальных напряжений; т - мощность рудного тела, м; Ь - длина выработанного пространства, м.

При этом максимальная концентрация напряжений в междукамерном целике наблюдается при мощности жилы 2,5 м и увеличивается по мере отработки блока, в массиве верхнего подэтажа — при длине выработанного пространства 35 м и увеличивается с ростом мощности рудного тела.

При разработке жильных месторождений подобных Забытому системой с магазинированием руды происходит формирование сложного техногенного поля напряжений, характеризующегося наличием как областей разгрузки (преимущественно в бортах выработанного пространства), так и появлением зон концентрации напряжений в над- и подштрековых целиках, являющихся основными концентраторами напряжений.

Сложная геомеханическая ситуация прогнозируется при отработке (глубинной) части месторождения. При этом наблюдается значительное -в 2,5 и более раз увеличение первоначальных напряжений в образующихся над- и подштрековых целиках размером 4-5 м. Наибольшая концентрация напряжений (величина среднего давления аср достигает 95 МПа, а интенсивность касательных тинт - 70 МПа) отмечается в надштрековом целике на горизонте 170 м (глубина от поверхности 310 м) при полной отработке вышележащих запасов и погашении целиков.

Значительное влияние на изменение характера напряжений в междуэтажных целиках оказывает процесс выпуска магазинированной руды при отработке нижних горизонтов месторождения. С началом выпуска руды в над- и подштрековых целиках (точки А, Б и С в массиве) вначале происходит снижение нормальных и касательных напряжений, минимум которых наблюдается при высоте магазина 25 м.

Высота магазина, ч

Высота магаы

Рис. 4. Распределение напряжений в элементах системы разработки с магазинированием руды месторождения Забытое: а - картина распределения аср вокруг выработанного пространства; б и в - изменение напряжений сгср и г,„„„ в над- и подштрековых целиках при различной высоте магазина й„.

Продолжение выпуска руды и уменьшение высоты магазина влечет за собой рост напряжений в 1,2-1,3 раза, достигающих максимума при полной отработке очистного блока (рис. 4).

По результатам выявленных закономерностей распределения напряжений в массиве горных пород, установлено, что на заключительных стадиях отработки очистного блока нижней части месторождения возникает высокая вероятность разрушения конструктивных элементов системы разработки в динамической форме и необходимость применения профилактических мероприятий.

Четвертая глава посвящена разработке и обоснованию комплекса мер геомеханической безопасности при разработке сложных жильных удароопасных месторождений.

Таблица 1 - Эффективные мероприятия по снижению степени удароопасности в конструктивных элементах систем разработки жильных месторождений

Глубина разработки 450-500 300-350

Система разработки Подэтажными штреками С магазинированием руды

Удароопасные элементы системы разработки Междукамерный целик (двух верхних подэтажей) Над штрековый целик Подштреко-вый целик

Параметры целика высота 6-7 м, длина 3 м высота и длина до 5 м высота 5 м, длина до 40 м

Угол залегания рудного тела р, град 45 < р < 60 75 < /? < 90 75 90

Азимут простирания рудного тела, град 55 345-360

Вид профилактического мероприятия Бурение разгрузочных скважин Камуфлетное взрывание шпуровых зарядов на разгрузочные скважины

К<, до применения профилактических мероприятий 1,8 <Ка< 3,6 4,5 <Ка <4,1 5 3,5

Оптимальные параметры разгрузочных мероприятий

Стадия применения При отработке Уг Ь длины очистного блока При отработке Уг Ь высоты очистного блока

Длина скважин, м 8 10

Диаметр скважин, мм 105 105

Шаг бурения, м Не более 0,25 0,4-0,5

Угол бурения скважин относительно действия максимальных напряжений, град 90 45 0 0

Угол бурения относительно залегания рудного тела, град 45 < а2 < 30 15 < а, < 45 75 90

Снижение концентраций напряжений су Х-, % 20 < £ < 80 30 < є <40 25,2 55,8

Иллюстрация Рис. 5 а Рис. 5 б и 6

После отработки 50 % очистного блока (25 м) системой подэтажных штреков необходимым является мероприятие по снижению удароопасности междукамерных целиков двух верхних подэтажей путем бурения разгрузочных скважин в кровле и почве выработки, перпендикулярно на-

правлению действия максимальных напряжений (рис 5 а).

Разгрузку надштрековых и подштрековых целиков, формирующихся при отработке месторождения системой с магазинированием руды рекомендовано проводить при высоте замагазинированной руды 25 м путем ' камуфлетного взрывания шпуровых зарядов на разгрузочные скважины с бурением скважин по направлению действия максимальных напряжений : на всю длину очистного блока (рис. 5 б).

Для оценки влияния предлагаемых профилактических мероприятий на уровень напряжений в элементах системы разработки использовали величину снижения уровня среднего давления (рис. 6) а 4,= [(а™" - а"рХ)1(т"рХ] ■ 100%, Где СГ I - величина СИИЖенИЯ урОВНЯ Среднего

давления, %; а™" - величина среднего давления в элементах системы разработки после проведения противоударных мероприятий, МПа; а- величина среднего давления до проведения мероприятий, МПа.

а б

30 45 60 90

угол между скважиной (длиной Л м) и рудным телом, град

4 5 6 10

длина горизонтальной скважины, м

Рис. 6. Изменение величины снижения уровня среднего давления (в %) при бурении разгрузочных скважин от ориентирования относительно залегания рудного тела и длины в: 1. подштрековом и 2. надштрековом целиках системы с магазинированием руды

Разработанные по результатам исследований основные технологические способы и приемы управления динамическими проявлениями горного давления на удароопасных участках месторождений жильного типа могут быть использованы при решении вопросов проектирования и эксплуатации других удароопасных месторождений, характеризующихся сходными горно-геологическими и геомеханическими условиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические решения по разработке комплекса мер безопасности на основе установленных закономерностей распределения напряжений в конструктивных элементах систем разработки жильных удароопасных месторождений Восточного Приморья, имеющие существенное значение для развития горнорудной промышленности страны.

Основные, научные и практические результаты исследования заключаются в следующем:

1. Горно-геологические и геомеханические условия разработки удароопасных жильных месторождений Восточного Приморья (Южное, Забытое и другие) характеризуются особенностями, оказывающими существенное влияние на напряженное состояние массива горных пород: значительная (до 400 м и более) глубина горных работ, структурная неоднород-

ность литологического комплекса, изменчивость параметров и элементов залегания рудных тел, а также особая региональная геодинамика и тектоническая активность, определяемая взаимодействием Охотоморской и Амурской литосферных плит и особенности применяемых технологий.

2. Современное тектоническое поле напряжений в районе рассматриваемых месторождений отличается преобладанием субгоризонтальных сжимающих напряжений, превышающих гравитационную составляющую в 1,8-2,5 раза от веса налегающей толщи пород; максимальное горизонтальное напряжение ориентировано в направлении от субширотного до СВ и обусловлено перемещением в указанных направлениях блоков земной коры от Центрально-Сихотэ-Алиньского разлома.

3. Выявлена взаимосвязь характера распределения напряжений в междуэтажных целиках с изменением высоты замагазинированной руды в процессе выпуска. С выпуском руды в над- и подштрековых целиках происходит снижение нормальных и касательных напряжений, минимум которых наблюдается при высоте магазина 25 м, продолжение выпуска руды сопровождается ростом напряжений в 1,2-1,3 раза, достигающих максимума при полной отработке очистного блока.

4. Установленные численными методами основные закономерности распределения напряжений в конструктивных элементах системы разработки подэтажными штреками заключаются в следующем: наиболее напряженными являются междукамерные целики и краевые части массива двух верхних подэтажей, изменение вынимаемой мощности с 3 до 0,75 м приводит к снижению уровня напряжений на данных участках на 15-20 %; а увеличение длины выработанного пространства и угла падения рудного тела к росту напряжений, превышающих исходные в 2,5 - 3 раза на заключительных этапах отработки очистных блоков.

5. Опасное с позиции динамических проявлений горного давления геомеханическое состояние конструктивных элементов систем разработки может быть оценено через расчетные значения коэффициента концентрации нормальных напряжений, зависящего от природных и горнотехнических факторов (от мощности рудного тела и длины выработанного пространства). Максимальная концентрация напряжений в междукамерном целике наблюдается при мощности жилы 2,5 м и увеличивается по мере отработки блока, в массиве верхнего подэтажа - при длине выработанного пространства 35 м и увеличивается с ростом мощности рудного тела.

6. Меры безопасности в условиях отработки глубоких горизонтов удароопасных жильных месторождений Восточного Приморья системами

подэтажными штреками и с магазинированием руды заключаются в следующем:

- заблаговременное выявление напряженных участков массива горных пород комплексов методов;

- применение специальных локальных мероприятий на стадии частичной отработки (1/2 длины) очистного блока;

- при залегании рудной жилы под углом 40-45 град снижение ударо-опасности междукамерных целиков двух верхних подэтажей (система по-дэтажных штреков) обеспечивается путем бурения разгрузочных скважин, перпендикулярно направлению действия максимальных напряжений,

- междуэтажных целиков (система с магазинированием руды) при крутопадающем залегании (75-90 град) камуфлетным взрыванием шпуровых зарядов на разгрузочные скважины, по направлению действия максимальных напряжений.

Использование рекомендованных технических и технологических решений обеспечивает повышение безопасности горных работ.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Геомеханическая оценка параметров проектируемой системы разработки месторождений вольфрамовых руд / И.Ю. Рассказов, Г.А. Курса-кин, М.И.Рассказова (Потапчук), Б.Г. Саксин, В.И. Мирошников, Г.М. По-тапчук // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 6.-С. 155-163.

2. Рассказова, М.И. (Потапчук). Геомеханическая оценка технологии отработки глубоких горизонтов Южного месторождения / М.И. Рассказова (Потапчук), Г.А. Курсакин, Г.М. Потапчук // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 4. - С. 50-60.

3. Геомеханическая оценка применяемых технологий разработки уда-роопасных месторождений ОАО «ГМК «Дальполиметалл» / И.Ю. Рассказов, М.И. Потапчук, С.П. Осадчий, Г.М. Потапчук // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 7. - С. 137-145

4. Рассказов, И.Ю. Моделирование геомеханических процессов при отработке Николаевского месторождения, опасного по горным ударам / И.Ю. Рассказов, М.И. Потапчук, Г.М. Потапчук // Вестник ТОГУ. - 2010. №2,- С. 75-84.

5. Моделирование геомеханических процессов при отработке крутопадающих рудных тел удароопасных месторождений / И.Ю. Рассказов, М.И. Рассказова (Потапчук), В.И. Мирошников, Б.Г. Саксин // Современные проблемы геодинамической безопасности при освоении месторождений полезных ископаемых / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). - СПб, 2010. - (Записки горного института; Т. 188).-С. 121-125.

6. Выбор технологии разработки глубоких горизонтов месторождения «Восток-2» / И.Ю. Рассказов, Г.А. Курсакин, A.M. Фрейдин, М.И. Потапчук // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. -№ 1.-С. 131-141.

В прочих изданиях:

7. Потапчук, Г.М. Оценка напряженно-деформированного состояния в элементах проектируемой системы разработки месторождения вольфрамовых руд «Забытое» / Г.М. Потапчук, М.И. Рассказова (Потапчук) // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы 5 Международной научной школы молодых ученых и специалистов. (Москва, 11-14 ноября 2008 г.). - М.: ИПКОН РАН, 2008.-С. 56-59.

8. Потапчук, М.И. Исследование особенностей формирования напряженного состояния конструктивных элементов системы разработки в условиях высокой изменчивости параметров рудного тела / М.И. Потапчук, Г.М. Потапчук // Проблемы недропользования: материалы IV научно-практической конференции, (г. Екатеринбург, 9-12 февраля 2010 г.). -Екатеринбург: УрО РАН, 2010. - С. 207-211

9. Modeling of geomechanical processes in burst-dangerous ore deposits of the far eastern region / I.Y. Rasskazov, M.I.Potapchuk, B.G. Saksin, V.l. Mi-roshnikov // Theory and practice of geomechanics for effectiveness the mining production and the construction: proceedings of the IV-th international geomechanics conference, (Varna, 3-6 june 2010 г.). - Varna, Bulgaria. C. 619-627.

10. Потапчук, М.И. Оценка устойчивости конструктивных элементов системы разработки в условиях высокой изменчивости параметров залегания рудных тел / М.И. Потапчук, Г.М. Потапчук // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы 7-й Международной научной школы молодых ученых и специалистов. (Москва, 15-19 ноября 2010 г.). -М.: ИПКОН РАН, 2010.-С. 88-90.

11. Геомеханическая оценка технологии отработки крутопадающих рудных тел в удароопасных условиях / И.Ю. Рассказов, М.И. Рассказова (Потапчук), Г.А. Курсакин, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин // Геодинамика и

напряженное состояние недр Земли: материалы конференции с участием иностранных ученых. (Новосибирск, 6-10 июля 2009 г.) - Новосибирск: изд.-во ИГД СО РАН, 2010. С. 337-342.

12. Потапчук, М.И. Исследование влияния применяемых технологий отработки на напряженно-деформированное состояние массива горных пород на месторождениях ОАО «ГМК «Дальполиметалл» // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: материалы XXI Международной научной школы им. Академика С.А. Христиановича: (Симферополь, 19-25 сентября 2011 г.) - Симферопль, 2011. - С. 302-305

Подписано в печать 17.04.12 60 х 90 1/16 Бумага писчая. Гарнитура Times. Печать Riso Усл. печ. л. - 1,4. Тираж 100 экз. Заказ №117

Отпечатано: ООО "Экспресс Полиграфия" 680028, г. Хабаровск, ул. Тургенева, 73 тел. (4212) 56-88-80

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Потапчук, Марина Игоревна, Хабаровск

61 12-5/3027

На правах рукописи

Потапчук Марина Игоревна

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОГО

ПРИМОРЬЯ

Специальность 25.00.20 - "Геомехаиика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук, Курсакин Г.А.

Хабаровск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 4

1. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ УДАРООПАС-НЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............................... 10

1.1. Анализ состояния изученности вопросов динамических проявлений горного давления при разработке жильных месторождений Восточного Приморья..................................... Ю

1.2. Обобщение представлений о механизме возникновения горных ударов на рудных месторождениях......................... 17

1.3. Анализ методов изучения напряженного состояния разрабатываемого массива горных пород............................ 24

2. ИЗУЧЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ПРИУРОЧЕННОСТИ ИХ К ГЕОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНОМУ............ 35

2.1 Анализ современного поля напряжений в районе удароопасных месторождений Восточного Приморья........................ 35

2.2. Исследование структурно-геологических и горнотехнических условий разработки месторождений........................ 44

2.3. Изучение изменения физико-механических свойств руд и пород с увеличением глубины разработки.......................... 53

2.4. Анализ применяемых геотехнологий при отработке жильных месторождений Восточного Приморья...................... 69

2.5. Типизация основных конструктивных элементов систем разработки (целиков) и оценка их с позиции степени потенциальной удароопасности........................................... 74

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ ГОРНЫХ РАБОТ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

ЖИЛЬНОГО ТИПА....................................... 79

3.1.

Обоснование методики математического моделирования напряженно-деформированного состояния разрабатываемого массива горных пород.......................................... 79

3.2. Исследование особенностей формирования напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов системы разработки месторождения Забытое...................... 85

3.3. Исследование влияния параметров залегания рудных тел на напряженно-деформированное состояние разрабатываемого массива горных пород месторождения Южное..................... 93

3.4. Оценка удароопасности конструктивных элементов системы разработки при отработке глубоких горизонтов Южного месторождения.................................................... 108

4. Разработка рекомендаций по повышению безопасности горных работ при отработке удароопасных участков жильных месторождений Восточного Приморья.............................. 113

4.1. Обоснование и оценка способов предотвращения динамических проявлений горного давления при отработке жильных месторож- ^ дений.................................................

4.2. Разработка мер геомеханической безопасности при отработке ме-

сторождения системой подэтажных штреков....................................119

4.3. Разработка мер геомеханической безопасности при отработке месторождения системой с магазинированием руды......................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................140

ВВЕДЕНИЕ

Проблема опасных проявлений горного давления и удароопасности на подземных рудниках существует уже длительное время. Неизбежное при подземной разработке горное давление на глубоких горизонтах и в условиях действия высоких напряжений может проявляться в динамической форме и приводить к внезапным разрушениям горных конструкций и участков разрабатываемого массива, создавая серьезную угрозу жизни работающим, нарушая нормальный ход ведения горных работ и снижая эффективность горного производства.

Решение проблемы управления горным давлением, весьма актуальной для целого ряда подземных рудников Дальневосточного региона, во многом сдерживается из-за недостаточной изученности природы и механизма геомеханических процессов и явлений, возникающих с углублением горных работ в тектонически нарушенном массиве горных пород под влиянием многочисленных природных и техногенных факторов. Особенно сложная геомеханическая обстановка складывается при отработке жильных месторождений Восточного Приморья, подобных Южному полиметаллическому, на котором случаи горных ударов были отмечены уже на сравнительно небольшой глубине - около 170 м. Такие, свойственные именно жильным месторождениям, факторы как структурная неоднородность, сложная геометрия формирующихся выработанных пространств, наличие многочисленных и разнообразных целиков, могут приводить к перераспределению и опасной концентрации напряжений в разрабатываемом рудном массиве и в итоге могут являться дополнительными причинами динамических проявлений горного давления.

С углублением горных работ на отдельных месторождениях Дальневосточного региона (Южное, Забытое и ряд других) наблюдается изменение горно-геологических условий их разработки, заключающееся в изменении параметров и элементов залегания рудных тел (мощности, угла падения,

морфологии жил и др.) и механических характеристик литологического ком-

4

плекса. Все эти факторы также могут оказывать непосредственное влияние на геомеханическое состояние массивов горных пород, учет которого необходим для разработки и обоснования мер безопасности при отработке ударо-опасных участков месторождений.

Геомеханическое обоснование мер безопасности при разработке ударо-опасных месторождений жильного типа, наиболее полно отвечающее установленным горно-геологическим и горнотехническим факторам, позволит разрабатывать эффективные технические и технологические решения, что является актуальной научной задачей, имеющей существенное научно-практическое значение для развития горнодобывающей отрасли нашей страны.

Работа основана на результатах исследований, выполненных при непосредственном участии автора по плановым темам НИР Института горного дела ДВО РАН: «Создание теоретических и методических основ прогнозирования геомеханических процессов для предупреждения горных ударов (техногенных катастроф) при подземном освоении месторождений твердых полезных ископаемых» (№ ГР 01200953151), а также в рамках проекта РФФИ № 09-05-00533-а «Выявление закономерностей и обоснование моделей формирования очагов горных и горно-тектонических ударов в природно-техногенных геодинамических системах», интеграционного проекта с СО и УрО РАН № 09-П-СУ-08-001 «Моделирование и экспериментальные исследования процессов формирования очагов горных и горно-тектонических ударов в геодинамически активных массивах горных пород» и проекта фундаментальных исследований молодых ученых ДВО РАН № 10-Ш-В-08-218, «Выявление закономерностей формирования техногенного поля напряжений удароопасного горного массива в условиях высокой изменчивости параметров рудных тел».

Цель работы состоит в разработке и геомеханическом обосновании мер безопасности при освоении жильных месторождений Восточного Приморья, склонных и опасных по горным ударам.

5

Идея работы заключается в том, чтобы на основе выявленных закономерностей формирования полей напряжений вокруг выработанных пространств в структурно неоднородном массиве горных пород жильных месторождений заблаговременно определить потенциально удароопасные участки и разработать комплекс профилактических мер безопасности.

Задачи исследований:

- изучить структурно-геологические, горнотехнические и геомеханические условия разработки месторождений Южное и Забытое, являющихся типовыми представителями жильных месторождений Восточного Приморья;

- обосновать граничные условия для численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород, разработать и реализовать конечно-элементные модели для оценки техногенного поля напряжений;

- оценить степень влияния условий и элементов залегания рудных тел на величину и характер распределения напряжений в рудно-породном массиве;

- установить закономерности формирования природно-техногенных полей напряжений на различных стадиях отработки сложноструктурных жильных месторождений;

- разработать рекомендации по повышению безопасности горных работ в условиях динамических проявлений горного давления.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, который включает: анализ и обобщение данных о современных геодинамических процессах в восточной части Амурского геоблока, натурные и лабораторные исследования напряженного состояния и механических свойств пород и руд, численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в плоской и объемной постановке, статистический анализ полученных результатов.

Научные положения, защищаемые автором:

"' : V к»*- V у4' ' *''"'

1 . Геомеха^чеСййё условия отработай и'склонность к горном ударам жильных месторождений бостонного Приморья (Южное, Забытое и др.) определяются их приуроченностью к активным геодинамическим элементам Амурского геоблока, особенностями геолого-структурных характеристик и применяемых технологий разработки месторождений.

2. На напряженное состояние целиков и краевых частей рудного и породного массивов месторождений жильного типа определяющее влияние оказывает длина выработанного пространства и угол падения рудных тел, изменение которых приводит к увеличению в 2,5-3,0 раза уровня первоначальных напряжений в конструктивных элементах системы разработки подэ-тажными штреками.

3. Повышение геомеханической безопасности горных работ при отработке месторождений жильного типа обеспечивается применением установленного комплекса профилактических мер, состав и параметры которых определены в зависимости от величины и направления действия главных напряжений в разрабатываемом массиве горных пород и от особенностей применяемых геотехнологий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: достаточным объемом экспериментальных данных, корректным выбором используемых математических моделей геомеханического состояния горного массива, комплексной постановкой исследований и хорошей сходимостью полученных результатов (теоретические расчеты концентраций напряжений подтверждаются визуальными наблюдениями за проявлениями горного давления).

Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем:

- установлена взаимосвязь исходного напряженного состояния массивов месторождений Южного и Забытое с особенностями структурных элементов и региональных геодинамических процессов в восточной части Амурского геоблока;

- определены характеристики и особенности изменения с глубиной физико-механических свойств литологического комплекса нижней части месторождения Южное;

- установлена зависимость уровня напряжений в целиках от высоты столба магазинированной руды при системе разработки с магазинированием руды блоками;

- выявлены закономерности формирования техногенного поля напряжений в конструктивных элементах системы разработки подэтажными штреками в условиях высокой изменчивости элементов залегания рудных тел;

- получены количественные зависимости, связывающие коэффициенты концентрации нормальных напряжений с наиболее значимыми параметрами элементов залегания рудных тел;

- разработаны меры безопасности и рекомендации по повышению уда-робезопасности при очистной выемке рудных тел.

Личный вклад автора заключается в:

- постановке задач, их решении и анализе полученных результатов по вопросу изучения изменений геомеханического состояния массивов горных пород в процессе разработки жильных месторождений Восточного Приморья;

- проведении экспериментальных исследований удароопасности массива месторождений, включая изучение механических свойств горных пород;

- обосновании граничных условий, разработке объемных конечно-элементных моделей и выполнении расчетов напряженно-деформированного состояния разрабатываемого массива горных пород;

- выявлении закономерностей формирования природно-техногенных полей напряжений при отработке жильных месторождений Южное и Забытое в условиях высокой изменчивости параметров и элементов залегания рудных тел;

- разработке мер безопасности и рекомендаций по управлению динамическими проявлениями горного давления на месторождениях Южное и Забытое.

Практическая ценность работы заключается в использовании полученных результатов при обосновании технологических решений и планировании горных работ на месторождениях Южном, Забытом и других, характеризующихся сходными горно-геологическими и геомеханическими условиями. Предложенные рекомендации по управлению горным давлением направлены на повышение геомеханической безопасности горных работ и существенно снижают риск динамических проявлений горного давления.

Реализация работы. Полученные результаты исследований использованы при составлении «Указаний по безопасному ведению горных работ на Николаевском и Южном месторождениях (ОАО «ГМК «Дальполиметалл»), опасных по горным ударам», а также при разработке проектно-технической документации на отработку удароопасных участков месторождений Южное и Забытое.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 5-ой и 7-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2008, 2010 гг.); международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства, маркшейдерского дела и недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.); IX, X краевых конкурсах молодых ученых (г. Хабаровск, 2009 и 2010 гг.); III и IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (г. Хабаровск, 2009 и 2010 гг.); IV всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, 2010 гг.); XXI-ой международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 2011 г).

Автор считает своим долгом выразить благодарность д-ру техн. наук Г.А. Курсакину, д-ру техн. наук И.Ю. Рассказову, д-ру геол.-минер. наук Б.Г. Саксину, канд. техн. наук В.И. Мирошникову и другим коллегам из ИГД ДВО РАН за ценные советы и помощь при подготовке диссертационной работы, а также инженерно-техническим работникам и специалистам ОАО «ГМК «Дальполиметалл» за содействие в проведении экспериментальных исследований и внедрении полученных результатов и рекомендаций.

1. Обобщение результатов исследований геомеханических процессов при отработке удароопасных месторождений

1.1. Анализ изученности вопросов геомеханического состояния массива горных пород и динамических проявлений горного давления при подземной разработке месторождений

В процессе подземной разработки месторождений полезных ископаемых, неизбежно сопровождаемой горным давлением, с переходом горных работ на большие глубины зачастую сталкиваются с серьезной проблемой - с динамическими проявлениями горного давления, нередко приводящими к катастрофическим последствиям. Одной из самых опасных динамических форм проявлений горного давления является горный удар.

Согласно современным представлениям горной геомеханики, горный удар представляет собой взрывоподобное разрушение хрупких горных пород, проявляющееся в виде их выброса в подземные выработки [95]. Удары сопровождаются резким звуком, образованием пыли, воздушной волной и сотрясением массива горных пород и часто приводят к нарушению крепи и целостности выработок, к смещению машин, механизмов, оборудования и т.п. [95,131].

Горные удары, как геомеханические явления, в ряде горнопромышленных районов мира известны более двух столетий. В 1900 г. описан случай проявления сильного горного удара (энергией до 106 Дж) в угледобывающем районе, который сопровождался сейсмическими колебаниями, разрушившими сооружения на поверхности [1]. К наиболее удароопасным районам мира в разные годы относили Индию, ЮАР, США, Россию, Канаду, угольные бассейны и рудные поля Польши и др. Так, в Индии на руднике «Майсор» (месторождение Колар) в 1930 г. произошел очень сильный горный удар, охвативший 374 м по вертикали. Он вызвал разрушение выработок в рабочих горизонтах, а сотрясения на поверхности ощущались в радиусе 16 км. После первого самого сильного удара в течение 32,5 ч ощущалось более 56 толчков, всего сейсмостан-цией было зарегистрировано 156 толчков. Из 200 человек, находящихся под землей во время гор�