Способ предотвращения горно-тектонических ударов

Х(ф СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЕН ОПИС ИЕ ИЗО Изобретен физических ис лезных иска долговременны литологических ризующихся е сейсмичнастьюИзвестен с наго массива в ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт физики и механики горных пород АН КиргССР(54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГОРНОТЕКТОНИЧ ЕСКИХ УДАРОВ(57) Использование: при подземной добычеполезных ископаемых и строительстве долговременных подземных сооружений на основе геофизических исследований,Сущность изобретения: способ геофизическото предотвращения горно-тектонических ударов включает определение внутрирудничного поля границ сейсмоактивныхблоков, сейсмологическую локацию массива горных пород и определение контуровсейсмоактивных зон. По направлению осимаксимальных нормальных сжимающихнапряжений 01 внутри границ в каждой иэактивных зон и определяют центр Хцм эпицентров сейсмических событий на уровнезащищаемых горизонтов, рассчитывают по ие относится к области геоследований при добыче попаемых и строительстве х подземных сооружений в слоях земной коры, характестественной и техногенной пособ перевода удароопаснеудароопасное состояние. Ж 1778721 А 1(5)5 6 01 Ч 1/00 // Е 21 Г 5/00 укаэанным направлениям величину расстояния А, между границей сейсмоактивного блока и указанными центрами масс вдоль нее и ее максимальное значение АГ", а в прилегающих к активным зонам - характерный линейный размер . в сечении проектируемых выработок, После этого впереди фронта горных работ на расстоянии р 4 в направлении, ортогональном к оси 1,проходят спаренные защитные выработки шириной не более чем 1., которые располагают друг относительно друга на расстоянии 1 Образовавшийся между ними ленточный целик дезинтегрируют через интервалы, равные 1,на ширину , при этом р, 3 - числа из натурального ряда, а р10. Что обеспечивает условия распространения волны с плоским фронтом. Кроме того, для повышения надежности способа при его использовании в пластообраэных рудных залежах дополнительно определяют центр масс (Хцм,2 цм) гипоцентров сейсмических событий по вертикали. С учетом этого проходят защитные спаренные выработки; высоту защищаемых спаренных выработок принимают равной мощности рудоносного литологического слоя. 3 ил. По данному способу предусматривает ся бурение скважин по контуру горной вы работки на одинаковом расстоянии друг от друга, Глубину скважин устанавливают рав ной не менее чем расстояние от контура выработки до верхней границы третьей эо ны трещиноватости. Затем иэ каждой сква жины нарезают щели, которые путемгидроразрыва расширяют до непрерывных по контуру выработкИ.Данному способу присущи такие недостатки;- под действием горного давления смыкание образованных трещин произойдет после первого же технологического цикла проходки;- высокая трудоемкость и малая производительность;- способ позволяет уменьшить вероятность разрушения от горного удара только лишь в одиночных выработках, но для них есть более простые и более надежные способы проходки;- не эффективен при горно-тектонических ударах.Известен способ предотвращения горно-тектонических ударов, включающий определение внутри рудничного поля границ сейсмоактивных контуров сейсмоактивных эон, воздействие на массив на интервале между вышеназванными границами и горными работами.Способ позволяет уменьшить вероятность внезапного проявления горно-тектонических ударов, однако, во-первых, использование способа провоцирует сейсмические явления, которые могут стать причиной горных ударов и привести к аварийным ситуациям в горных выработках, во-вторых, способ характеризуется высокими трудовыми и материальными затратами на бурение скважин, камуфлетное взрывание зарядов и гидроразрыв, Кроме того, способ не исключает повторного периодического воздействия на активные зоны по мере расширения отработки.Физическая сущность заявленного способа базируется на установленных закономерностях формирования напряжений в конструктивных элементах систем разработки в результате суперпозиции статического и динамического поля напряжений.Проведение горных выработок приводит к образованию свободных поверхностей пород, вблизи которых уже не реализуются условия объемного сжатия. Устойчивость обнажений достигается в результате формирования нового равновесного состояния между прочностью пород и величиной горного давления. В условиях когда предел прочности горных пород на одноосное сжатие в образце не превышает 50-60 от величины нормальных напряжений в массиве, имеет место критическое состояние пород по фактору устойчивости, так как прочность пород в массиве ниже, чем в образце. На месторождениях, склонных к горнымударам, глубины горных работ, на которыхвыполняется условие превышения действующих напряжений величины 0,4-0.6 от пре 5 дельной на одноосное сжатие, считаютудароопасным. Однако в зависимости от динамики нагружения неустойчивое состояние может проявляться как в статическихформах разрушения (отслоения, эаколооб 10 разования, растрескивания горных пород),так и в динамических формах - в формегорных ударов различной интенсивности.Указанная динамическая нагрузка можетвызываться перераспределением горного15 давления в результате образования новыхвыработанных пространств, а также в результате волн напряжений из гипоцентровсейсмических событий, имеющих как природный, так и техногенный характер.20 В зависимости от местоположения гипоцентра события и очага разрушения различают по меньшей мере два типа горныхударов, каждый из которых требует существенно отличные способы профилактики, На 25 стоящий способ предназначен дляпредотвращения горных ударов тектонического типа, когда источник горного удара(гипоцентр сейсмического события) и местогарного удара не совпадают.30 физика процессов, протекающих приданном виде явления, может быть описанаследующим образом.В результате упругого срыва по границе .тектонического нарушения в массив излуча 35 ется импульс напряжений, длительность которого составляет несколько секунд,Наибольший энергоперенос имеет место внаправлении, перпендикулярном поверхности разрыва, так как поверхность разрыва40 есть исходный фронт упругой волны,Наибольшей скоростью обладает продольная упругая волна, которая достигаетповерхности защитной выработки и практически полностью отражается опять в мас 45 сив, так как акустическая жесткость воздухапочти на два порядка меньше акустическойжесткости горных пород (любого твердоготела), Таков механизм для случая, когдагипоцентр сейсмического события находит 50 ся на уровне отрабатываемого или точнеезащищаемого горизонта. Однако в большинстве случаев гипоцентр сейсмическогособытия располагается либо выше, либо ниже уровня горных работтогда продольная55 упругая волна с определеннымипараметрами(о которых будет сказано далее) попадаетв волноводы, образованные системой выработок целиков и камер шириной .,В исходном волновом импульсе содержится широкий спектр волн с длиной волныот нескольких сотен метров до волн с длиной менее 10 м, Однако волны с длиной волны, превышающей десятки метров, будут огибать выработанное пространство, Волны же с длиной менее 10 м, во-первых на расстоянии от границы блока, равном р (р 10), будут иметь практически плоский фронт, вовторых, попадая в зону отработки, они будут проявлять волноводные свойства.Основная идея заявленного способа заключается в том, чтобы упругие волны иэ спектра исходного импульса, длины которых соизмеримы с размерами конструктивных элементов, прошли вначале через искусственно образованную систему волно:водов-целиков, При этом в таких волноводах реализуются следующие физические процессы:1, Образуется система стоячих волн, 2, Происходит дисперсия волн, связанная с геометрией волновода.Если в исходном спектре сейсмоизлучения имеются упругие волны, длины которых Л соответствуют соотношению -=ц 1 2 (ц 1=1, 2, 3 ), то в том из целиков, гдеЛимеет место данное событие, может возникать стоячая волна. Тогда все признаки распространяющейся волны исчезают, а образовавшаяся (стоячая) волна будет ха. рактеризоваться тем, что все точки среды будут колебаться в фазе, Следовательно, внутри целика на время распределения сейсмического сигнала порядка нескольких (до 10) секунд возникает динамическое анизотропное поле напряжений, которое суммируется с имеющимся статическим полем напряжений, без того уже являющимся критическим по фактору устойчивости обнажений, что в конечном счете приводит к реализации данного сейсмического события в виде горного удара тектонического типа, но, однако, уже не в зоне очистных работ, ав специально изолированном искусственно образованном участке рудничного поля. Такой способ по принципу действия в какой-то мере можно уподобить "громоотводу".Положение выработки также предопределено необходимостью реализации горного.удара вне зоны текущей отработки. Если между поверхностью излучения, плоскостью сейсмогенерирующего разлома и поверхностью выработки будет расстояниеЛО=ц= , то между ними опять таки могут образовываться волны с длиной порядка размера конструктивных элементов систем разработки (если таковые имеются в исходном спектре). В этом случае горный удар произойдет именно вдоль поверхности этойвыработки. Что касается волн с большейдлиной, то они будут огибать конструктивные элементы, а волны с большей частотой5 быстро затухают при преломлении и отражении, Часть спектра волн, частота которыхменьше частоты отсечки 1 с(Гц)=- = =300,вообще не могут распростЧ 30021 2510 раняться в конструктивных элементах. Следовательно, заявленный способ позволяетпредотвращать горные удары тектонического типа,Сущность способа поясняется черте 15 жом, где на фиг. 1 показан план участкарудничного поля на одном иэ рабочих горизонтов, на фиг. 2 показан участок горныхработ с защитными выработками, на фиг. 3показан разрез и способ проведения защит 20 ных выработок при варианте защиты отпрямых и отраженных сейсмических волн.На чертеже показаны граница 1 активного блока; граница сейсмоактивной зоны 2,центр 3 масс сейсмических событий; фронт25 4 очистных работ; спаренные защитные выработки 5; участки ленточного целика 6; зоны дезинтеграции 7 пород или просечки;сейсмоактивная литологическая граница 8:рудоносный литологический слой 9; подсти 30 лающие породы 10, а также показаныо 1, 02, сгз - главные нормальные напряжения; Ь, Л - длины волн сейсмического излучения соответственно в направлении осейглавных нормальных напряжений г и к; Ец м,35 Хц. - координаты центра масс сейсмических событий (гипоцентров и эпицентров);1= максимальный размер в сечении очистных выработок; гп - мощность рудоносноголитологического слоя; и, р, з,и ц - числа иэ40 натурального ряда цифр. (р = 10, о10)Способ осуществляется в следующейпоследовательности операций, В пределахрудничного поля определяют границы 1 сейсмоактивных блоков, Границы 1 устанавливают на основе геологических исследованийпутем выявления наличия движений в новейшее время. Определяют внутри этих границ 1 на основе данных сейсмологическихисследований контуры сейсмоактивных эон50 2. Границы эон устанавливают на основеизолиний сейсмической энергии, Определяют по направлению осимаксимальных нормальных сжимающих напряжений внутриграниц 1, в каждой иэ п активных эон 2,55пцентр 3 масс - Хц,., гипоцентров сейсмических событий. Хц,м. - координата центра масс эпицентров в горизонтальной плоскости в направлении . Координаты Хпч,могут быть определены, например, как центркруга, ограниченного изолинией максимальной сейсмоэнергии, Определение координат в направлении ) не требуется, так как в этом направлении массив горных пород претерпевает растяжение.Вдоль границы блока могут формироваться несколько сейсмоактивных эон 2. Для каждой из зон 2 по направлению оси рассчитывают величину расстояния Ь,лг, Лгз , М соответственно, междувграницей блока и указанными центрами масс, а также между самими центрами вдоль границы 1 блока Хц,м Хц,м ,. Хц.м.и Определяют из этих величин максимальную Я = Ь (например).Затем определяют в прилегающих к активным зонам максимальный линейный размерв сечении проектируемых выработок, После этого впереди фронта 4 горных работ на расстоянии р 3с от границы 1 блока по направлению оси ) алгебраически максимальных напряжений проходят спаренные (параллельные) выработки 5 шириной не более чем , которые располагают друг относительно друга на расстоянии , а образовавшийся ленточный целик 6 рассекают или дезинтегрируют через равные интервалы,равные , на ширину , при этом высоту всех выработок 5 принимают не меньшей высоты камер в зоне отработки. Дезинтеграция пород осуществляется путем бурения скважин с последующим их взрыванием и образованием несвязанного блочного массива, После разрушения массива руда (порода) может быть извлечена или оставлена на месте. При этом для обеспечения условия плоского фронта необходимо, чтобы р 10. Сейсмическая волна при падении в максимуме своей амплитуды на границу раздела сред: массив - выработка 5 частично отразится обратно в массив, а частично пройдет, вызвав колебания сплошных участков рассеченного целика 6. В случае, если при данном сейсмическом импульсе к выработкам 5 придет спектр, содержащий гармонику Л = - (ц 1"1, 2 ),2.Ц 1то тогда она, в целиках 6, вызовет формирование стоячей волны, С учетом же того, что данные целики находятся в условиях максимального статического напряжения (как передовые целики), то динамическая добавка вызовет здесь за счет стоячей волны горно- тектонический удар, тем самым предотвратив его проявление в зоне очистных или подготовительных работ,В ряде случаев имеет место, за счет преломления основного излучения, проявлениегипоцентров явлений от возбуждения границы 8 литологических разностей. В таком случае наибольший энергоперенос будет вдоль К и для предотвращения горно-текто нических ударов такого типа необходимопроведение по вышеописанной схеме выработок ниже горных работ. Для этого определяют по направлению оси К внутри границ каждой из активных зон и центр масс 2 ц,м, 10 гипоцентров сейсмических событий и рассчитывают по указанному направлению величину расстояния 4. Аналогично тому, как определялись Лг. Далее определяют 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Я"и местоположение точки Хц,., 2 ц.иаспаренные выработки 5, проходят в подстилающих породах на расстоянии сф" от сейсмоактивной границы 8 раздела литологических слоев в направлении оси ), перпендикулярно оси К проведенной через точку (Х, 2).Природное скопление полезных иско-паемых преимущественно связано со строго определенным литологическим слоем. В пределах таких слоев в силу однородной его акустической жесткости наибольшая часть энергии сейсмического излучения из гипоцентра явления будет переноситься в пределах этого слоя, тогда эффективная фильтрация может быть достигнута при высоте выработок 5,.равной мощности а рудоносного литологического слоя 9, даже если не весь слой обладает кондиционным содержанием полезного компонента,Такое выполнение способа, в совокупности всех его операций и вариантов, позволяет исключить явление формирования стоячей волны в конструктивных элементах систем разработки при возникновении сейсмических событий, а соответственно и горно-тектонические удары, и, следовательно, снизить затраты на аварийно-восстановительные работы, вызванные горно-тектоническими ударами, и затраты на выполнение способа, а также повысить его эффективность для месторождений пластообразного типа. Таким образом определение по направлению осимаксимальных, нормальных сжимающих напряжений, внутри границ в каждой из эон и, центра масс Х",м, эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов, расчет по указанным направлениям величины расстояния М, соответственно, между границей блока и указанными центрами масс вдоль границы блока, определение из этих величин максимальной Яф", а в прилегающих к активным зонам и - максимального линей 1770721 1040 45 50 55 ного размера Е в сечении проектируемых выработок, проведение впереди фронта горных работ, на расстояниир 4 от границы сейсмоактивного блока, по направлению оси ) алгебраически максимальных главных нормальных напряжений, спаренных защитных выработок шириной не более чем , которые располагают друг относительно друга на расстоянии , дезинтеграция образованного между ними ленточного целика через интервалы, равные (., на ширину (., назначение высоты данных выработок не менее, чем высота выработок в зоне отработки, где и, р, з - числа из натурального ряда и р10, а также дополнительно определение по направлению осинормальных промежуточных сжимающих напряжений, внутри каждой из активных зон и, центра масс (Хц,м.Ец,м,) гипоцентров сейсмических событий, расчет по укаэанной оси К расстояния 4, аналогично Ч и определение из них максимального Л", проведение защитных спаренных выработок на расстоянии ц К" от сейсмоактивной границы раздела литологических слоев в направлении оси, через ось, проведенную через точку (Хц. ., Ец), где с, ц - числа из натурального ряда и ц10, и кроме того назначение высоты защитных спаренных выработок равной мощности рудоносного литологического слоя, является новой совокупностью операций, позволяющей снизить затраты на выполнение способа и затраты на аварийно-восстановительные работы, расходуемые при горно-тектониче- ских ударах,Конкретный пример выполнения способа,Способ испытывался на одном из месторождений ПО "Севуралбокситруда".Сейсмоактивным дизьюнктивом строящегося участка месторождения гор - 620 мявлялся 3 Северный сброс.Для него характерны п=б активных зон,две из которых локализованы вдоль сброса, .а четыре других локализованы вдоль линийО и2, перпендикулярных плоскости сброса и проходящей через Хц м и Хц,первых1 2двух зон.Рассматривая центр шара внутри эоны,ограниченной поверхностью с Е=10 Дж, в8качестве центра масс (Х.м; Х, ) составляют следующую выборку: ( 4=5 м; Я =6 м)вдоль границы 3 Северного сброса ( =4 м;А=З м) вдоль линии О, проходящей через4гипоцентр с А и ( =5 м: Ь =4 м) - вдольб линии 1 2, проходящей через Я, 1; и Л отсчитываются от Ь, а 3 и Г отсчитива 1ются от Я, следовательно, Я =Я =бм, 5 Для Х местоположение центра масс гипоцентров сейсмических явлений 7 ц =92,0 м.2Наибольший пролет ;для рассматриваемого участка равен 6 м.Осьимеет субширотное простирание сазимутом Аз=15. Тогда ось ) характеризуется азимутом 105, осьЪ перпендикулярна пластамУчитывая, то центр масс (Хц.) эпицентров явлений располагается в рудном теле, то спаренные защитные выработки проходят по руде высотой на всю мощность п=5 м рудного тела шириной=6 м по азимуту 105 на расстоянии не менее чем 10 4=60 м (р=10 выбрано из условия плоского фронта).Формула изобретения 1, Способ предотвращения горно-тектонических ударов, включающий определение внутри рудничного поля границ сейсмоактивных блоков, сейсмическую локацию массива горных пород, определение контуров сейсмоактивных зон и, дезинтегрирующее воздействие на массив на интервале между названными границами и зоной горных работ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с целью снижения затрат на реализацию способа, внутри границ в каждой из сейсмоактивных зон и по направлению оси 1 максимальных нормальных сжимающих напрякений дополнительно определяют центр масс Хц.м эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов горных работ, рассчитывают по указанными направлениям величину расстояния М между границей блока и центрами масс вдоль границы блока,.определяют максимальное расстояние Л, а в прилегающих к активным зонам и - характерный линейный размерв сечении проектируемых выработок, после этого впереди фронта горных работ на расстоянии р 3 от границы сейсмоактивного блока в ортогональном к осинаправлении проходят спаренные защитные выработки шириной, не превышающей , при этом их располагают друг относительно друга на расстоянии , а образованный между ними ленточный целик дезинтегрируют через интервалы и на ширину, равные , высоту защитных выработок принимают равной по крайней мере высоте выработок в зоне отработки, где и, р, з - числа натурального ряда,ар10, 1778721 122, Способ поп. 1, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности способа, дополнительно определяют в вертикальном направлении центры масс 2 ц.м гипоцентров сейсмических событий и расстояния 3 и Ж", а спаренные защитные выработки проходят на расстоянии о Яв" от сейсмоактивной границы раздела в ортогональном к осинаправлении, где ф, р - числа натурального ряда, а р10.3. Способ поп.1,отличающийся 5 тем, что высоту спаренных защитных выработок выбирают равной мощности рудоносного литологического слоя,1778721 Составитель А. Корндактор Т. Полионова Техред М,Моргентал Коррек ак Заказ 4192 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ГКНТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1