28

Тема 1. Введение. 4 часа.

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

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

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

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

• - процессы формирования напряжённо-деформированного состояния массивов пород и его изменения в связи с проведением выработок;

• - динамические процессы и явления в массивах горных пород;

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

Непосредственно с указанными процессами связаны как самостоятельные научные направления, так и общие задачи, которые необходимо решать в рамках геомеханики.

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

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

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

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

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

Основной целью управления состоянием массива горных пород является обеспечение устойчивости кровли и почвы в камерах, целиков, очистных, нарезных и подготовительных выработок, других обнажений массива пород для безопасности труда горняков, сохранности подрабатываемых природных объектов и искусственных сооружений путем целенаправленного использования несущей способности вмещающих пород, рудного тела, закладки и крепи.

В названии дисциплины выделим ключевое слово «управление». В самом общем смысле об управлении можно говорить только при наличии следующих элементов:

объекта управления в виде инвариантной системы, т.е. системы, существующей независимо от каких-либо факторов. В данном случае это горный массив, характеризующийся имманентным составом, свойствами, структурой, состоянием как категориями внутренне присущими ему и определяемыми его природой и геологической историей;

модели объекта управления, т.е. некоего описания его в виде схемы, изображения в графическом, текстовом, цифровом виде (компьютерный вариант модели). Модель горного массива в значительной мере является субъективной категорией, поэтому важное значение приобретают различные гипотезы горного давления (включая газодинамические явления), а также конструкция действующего или проектируемого рудника, шахты;

информации о составе, свойствах, структуре, состоянии объекта управления. В данном случае это сведения о физико-механических свойствах пород, тектонических нарушениях, трещиноватости, кливаже, гидрогеологических условиях (природные характеристики), расположении, размерах и креплении горных выработок (технологические характеристики), напряженно-деформированном состоянии массива (природно-технологические характеристики);

информации о причинно-следственных внутренних и внешних связях объекта управления. Это, например, зависимость устойчивости пролета камеры или целика от прочностных и деформационных свойств пород и напряженного состояния массива, зависимость состояния подрабатываемых объектов на поверхности от расположения горных выработок, применяемых систем разработки и способов управления горным давлением и т.д.;

системы команд (управляющих решений), гарантирующих функционирование объекта в заданном режиме, т.е. при оптимальных производственных и экономических показателях деятельности рудника или шахты, обеспечивающих безопасность эксплуатации и минимизацию экологического ущерба.

Характерной особенностью месторождений полезных ископаемых является чрезвычайно большое разнообразие горно-геологических условий, вследствие которого каждый рудник или шахта является уникальным как по форме залежей, так и по способам их отработки и управления горным давлением.

В мировой практике известны свыше 200 только основных систем разработки месторождений. Очевидно, что дать конкретные рекомендации по каждому варианту разработки применительно к конкретным горно-геологическим условиям - задача нереальная. Поэтому целью курса «Управление состоянием горного массива» является систематизация информации, обеспечивающей возможность принятия управляющих решений для создания эффективных и безопасных условий отработки месторождений в реальных горно-геологических условиях и горно-технических ситуациях.

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

При этом под управлением состоянием массива горных пород, прежде всего, будем понимать управление геомеханическими процессами в массиве, т.е. целенаправленное регулирование характера и параметров геомеханических процессов с целью повышения безопасности горных работ, их эффективности и снижения вредных воздействий на окружающую среду.

Регулируя развитие геомеханических процессов в массиве пород, стремятся достичь такого положения, чтобы процессы развивались в желательном безопасном направлении и их параметры находились в пределах заранее установленных безопасных величин. При этом в одних случаях применяются инженерные решения, направленные на снижение концентраций напряжений в элементах систем разработки, в других случаях оказывается необходимым, наоборот, увеличить концентрацию напряжений и создать условия для разрушения пород в какой-либо области массива. К управлению геомеханическими процессами относятся также мероприятия по целенаправленному изменению свойств массива пород, как с целью повышения его устойчивости, так и для эффективного его разрушения.

Массив горных работ представляет собой ту окружающую среду, от состояния которой зависят безопасность рабочих, эффективность отработки месторождения и полнота извлечения полезного ископаемого. Состояние массива определяется совокупным влиянием ряда геомеханических и горнотехнических факторов.

Под влиянием горных работ нарушается первоначальное состояние массива пород. Возникают зоны повышенных и пониженных концентраций напряжений, упругих, пластических и вязких деформаций. Другими словами, массив пород претерпевает значительные физические изменения.

В процессе выемки полезного ископаемого в недрах образуются пустоты, объемы которых определяются параметрами карьерных выработок и зон обрушения шахт. Природно-техногенный ресурсный цикл открытых и подземных работ весьма различен. Если объем карьерных выработок достигает 700 млн. м³, то объемы зон обрушения на порядок меньше и находятся в пределах 30...50 млн. м³, однако зоны обрушения характеризуются большой глубиной, например, на рудниках СУБРа они превышают 1 км.

Техногенные пустоты недр в первую очередь нарушают напряженно-деформированное состояние рудного массива, при этом заметные его деформации могут распространяться, согласно исследованиям ИГД УрО РАН, на расстояние 20...30 средних радиусов выработанного пространства. Так, на Высокогорском ГОКе в результате выемки Главного карьера и зон обрушения шахт «Магнетитовая» и «Эксплуатационная» нарушение геодинамического равновесия произошло на площади, превышающей 20 км.

Неполный учет развития деформационных процессов при отработке любого месторождения приводит к техногенным катастрофам, которые произошли на Урале при разработке Верхнекамских месторождений калийных солей, Кургазакском бокситовом месторождении и на рудниках СУБРа.

В 1990 г. на шахте «Кургазакская» (ЮБР) в результате горно-тектонического удара на глубине 300 м и площади 1 250 х 400 м² произошло разрушение столбчатых целиков с последующим распространением зоны деформации на площади 500 тыс. м².

На СУБРе горно-тектонические удары являются нередким событием. В 1985 г. разрушение выработок произошло на четырех горизонтах общей протяженностью около 800 м. Общий объем нарушенной горной массы составил 390 тыс. м³, сотрясение наблюдалось в радиусе 10 км.

На комбинате «Уралкалий», разрабатывающем уникальные прикамские калийные месторождения подземным способом, в октябре 2006 г. произошла самая масштабная за всю историю развития отрасли авария с обрушением поверхности на большой площади ведения горных работ в результате нарушения водозащитной толщи. Обошлось без человеческих жертв, однако добыча на одном из крупнейших рудников комбината была остановлена. Под землей осталось более двадцати комбайнов стоимостью несколько миллионов рублей каждый, десятки единиц техники и шахтного оборудования. С выбытием рудника комбинат «Уралкалий» лишился около 20% производственного потенциала. Возникла необходимость строительства обходной железнодорожной ветки МПС. На ликвидацию аварии было направлено свыше 2 млрд. р.

Горнорудное предприятие в результате своей деятельности разрушает ландшафт местности в целом, создавая новый — техногенный — ландшафт. Возникают техногенные горы и, наоборот, исчезают природные. Так, месторождения железных руд горы Магнитной в Челябинской области выработаны практически полностью, то же относится к горам Высокой и Благодать в Тагило-Кушвинском районе. Многолетнее накопление пустот приводит к существенному изменению гидродинамического режима горных отводов, в результате чего происходит нарушение водоносных горизонтов. Подработка водоносных горизонтов горнодобывающим предприятием при прекращении водоотлива приводит к подъему минерализованных вод выше уровня пресноводных горизонтов и вызывает засоление почв. Зоны обрушения являются проводником водных потоков, которые активно выщелачивают содержащиеся в недрах минералы, существенно загрязняясь при этом. Затраты на нейтрализацию вод только четырех закрытых медных рудников Свердловской области — Ломовского, Корпушинского, Белореченского и Левихинского — составляют около 25 млрд. р. ежегодно.

Безопасность и эффективность подземной добычи будет обеспечиваться только в случае правильного выбора способов управления состоянием окружающего массива, когда возникающие в нем напряжения и деформации не превышают допустимых величин.

При камерных системах в течение установленного времени должна сохраняться устойчивость целиков и кровли камер, при системах с закладкой – обеспечиваться прочность закладочного материала и допустимые деформации покрывающих пород, при системах с обрушением – первоначально должна обеспечиваться устойчивость покрывающих пород, а затем гарантированное их обрушение с заданными параметрами.

Целью изучения дисциплины «Управление состоянием горных пород» является подготовка горных инженеров, способных применять научно-обоснованные способы управления состоянием массива пород и правильного выбора параметров систем разработки, удовлетворяющих требованиям безопасности и эффективности работ, охраны недр и окружающей среды.

Основные теоретические и практические положения дисциплины базируются на знании фундаментальных и, общетехнических, прикладных и специальных дисциплин.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Всё сказанное позволяет сформулировать общую методологию геомеханики:

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

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

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

К настоящему времени глубина горных работ достигла в Индии и Южной Африке—3,5 км; в США - 2—3 км, в Канаде—около 2,5 км.

Рудник Pyhasalmi (Финляндия) ведёт горные работы на глубине 1450 м (рис. 1).

Р ис. 1.1. Рудник Pyhasalmi (Финляндия), принадлежит канадской кампании Inmet Mining Co, добывает медную и цинковую руду в объёме 1.3 млн. т. Применяются камерные и слоевые системы разработки с твердеющей закладкой. Количество персонала – 210 чел.

Полностью автоматизированный подъём и использование передовых информационных технологий для управления производством.

В России и странах бывшего СССР глубины разработки в среднем составляют 700—900 м, но в ближайшие годы возрастут до 1,2—1,4 км.

Горные работы на рудниках Норильского региона уже сейчас ведутся на глубинах до 1500 м и в недалёкой перспективе достигнут 1800-2000 м. В настоящее время рудник «Таймырский», входящий в состав заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель», является самым глубоким рудником в России. На руднике находится самый глубокий в России вентиляционный ствол ВС-7 глубиной более 1800 м.

На Николаевском руднике в Приморье разрабатывается залежь с глубиной залегания 800-1000 м.

На Уральских месторождениях бокситов руды добывают на глубинах до 1600 м.

Развитие горных работ в подобных условиях сопровождается увеличением температуры массива до 35-40⁰ С и более.

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

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

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

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

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