Способ предотвращения горно-тектонических ударов

 

Использование: при подземной добыче полезных ископаемых и строительстве долговременных подземных сооружений на основе геофизических исследований. Сущность изобретения: способ геофизического предотвращения горно-тектонических ударов включает определение внутри рудничного поля границ сейсмоактивных блоков, сейсмологическую локацию массива горных пород и определение контуров сейсмоактивных зон. По направлению оси I максимальных нормальных сжимающих напряжений 71 внутри границ в каждой из активных зон п определяют центр эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов, рассчитывают по указанным направлениям величину расстояния ЯР, между границей сейсмоактивного блока и указанными центрами масс вдоль нее и ее максимальное значение , а в прилегающих к активным зонам - характерный линейный размер L в сечении проектируемых выработок. После этого впереди фронта горных работ на расстоянии р АГакс в направлении,ортогональном к оси проходят спаренные защитные выработки шириной не более чем L, которые располагают друг относительно друга на расстоянии L Образовавшийся между ними ленточный целик дезинтегрируют через интервалы, равные Цна ширину L, при этом р, S - числа из натурального ряда, а р Э: 10. Что обеспечивает условия распространения волны с плоским фронтом. Кроме того, для повышения надежности способа при его использовании в пластообразных рудных залежах дополнительно определяют центр масс (Хцм Јцм) гипоцентров сейсмических событий по вертикали. С учетом этого проходят защитные спаренные выработки; высоту защищаемых спаренных выработок принимают равной мощности рудоносного литологического слоя. 3 ил. & VI VI 00 VJ ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В (21) 4902136/25 (22) 14.01.91 (46) 30.11.92. Бюл. М 44 (71) Институт физики и механики горных пород АН КиргССР (72) И.Т.Айтматов, А.В.Корн, П,Ф.Матвеев, B.À.Êoëåñîâ, Г.П.Зилеев и П.В.Баков (56) Авторское свидетельство СССР

3Ф 1295005, кл. E 21 F 5/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1434129, кл. Е 21 F 5/00, 1988. (54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГОРНОТЕКТОНИЧ ЕСКИХ УДАРОВ (57) Использование: при подземной добыче полезных ископаемых и строительстве долговременных подземных сооружений на основе геофизических исследований.

Сущность изобретения: способ геофизическото предотвращения горно-тектонических ударов включает определение внутри рудничного поля границ сейсмоактивных блоков, сейсмологическую локацию массива горных пород и определение контуров сейсмоактивных зон. По направлению оси ! максимальных нормальных сжимающих напряжений (71 внутри границ в каждой иэ активных зон и определяют центр Хцм эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов, рассчитывают по

Изобретение относится к области геофизических исследований при добыче полезных ископаемых и строительстве долговременных подземных сооружений в литологических слоях земной коры, характеризующихся естественной и техногенной сейсмичностью.

Известен способ перевода удароопасного массива в неудароопасное состояние.,, Ж„„1778721 А1 (sl)s G 01 V 1/00// E 21 F 5/00 укаэанным направлениям величину расстояния À, между границей сейсмоактивного блока и указанными центрами масс вдоль нее и ее максимальное значение Я" ", а в прилегающих к активным зонам — характерный линейный размер в сечении проектируемых выработок, После этого впереди фронта горных работ на расстоянии р Я4 " в направлении, ортогональном к оси I,ïðîõoдят спаренные защитные выработки шириной не более чем L, которые располагают друг относительно друга на расстоянии L.

Образовавшийся между ними ленточный целик дезинтегрируют через интервалы, равные L,íà ширину L, при этом р, 3 — числа из натурального ряда, а р 10. 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 Zq ) 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- а ся бурение скважин по контуру горной выработки на одинаковом расстоянии друг от друга, Глубину скважин устанавливают ðàâной не менее чем расстояние от контура выработки до верхней границы третьей зоны трещиноватости. Затем иэ каждой скважины нарезают щели, которые путем

1778721 гидроразрыва 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 производительностьь; — 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 lop но-тектонических ударов, включающий определение внутри рудничного поля границ сейсмоактивных контуров сейсмоактивных эон, воздействие на массив на интервале между вышеназванными границами и Iopными работами.

Способ позволяет уменьшить вероятность внезапного проявления горно-текто.нических 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 горным ударам, глубины горных работ, на которых выполняется условие превышения действующих напряжений величины 0,4-0.6 от пре5 дельной на одноосное сжатие, считают удароопасным. Однако в зависимости от динамики нагружения неустойчивое состояние может проявляться как в статических формах разрушения (отслоения, эаколооб10 разования, растрескивания горных пород), так и в динамических формах — в форме горных ударов различной интенсивности.

Указанная динамическая нагрузка может вызываться перераспределением горного

15 давления в результате образования новых выработанных пространств, а также в результате волн напряжений из гипоцентров сейсмических событий, имеющих как природный, так и техногенный характер.

20 В зависимости от местоположения гипоцентра события и очага разрушения различают по меньшей мере два типа горных ударов, каждый из которых требует существенно отличные способы профилактики, На25 стоящий способ предназначен для предотвращения горных ударов тектонического типа, когда источник горного удара (гипоцентр сейсмического события) и место горного удара не совпадают.

30 Физика процессов, протекающих при данном виде явления, может быть описана следующим образом.

В результате упругого срыва по границе . тектонического нарушения в массив излуча35 ется импульс напряжений, длительность которого составляет несколько секунд.

Наибольший энергоперенос имеет место в направлении. перпендикулярном поверхности разрыва, так как поверхность разрыва

40 есть исходный фронт упругой волны.

Наибольшей скоростью обладает продольная упругая волна, которая достигает поверхности защитной выработки и практически полностью отражается опять в мас45 сив, так как акустическая жесткость воздуха почти на два порядка меньше акустической жесткости горных пород (любого твердого тела). Таков механизм для случая, когда гипоцентр сейсмического события находит50 ся на уровне отрабатываемого или точнее защищаемого горизонта. Однако в большинстве случаев гипоцентр сейсмического события располагается либо выше, либо ниже уровня горных работ,.тогда продольная

55 упругая волна с определенными параметрами(о которых будет сказано далее) попадает в волноводы, образованные системой выработок целиков и камер шириной (., В исходном волновом импульсе содержится широкий спектр волн с длиной волны

1778721 от 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 из 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 А соответствуют соотношению

L=q> (qua=1, 2, 3 ...), то в том из целиков, где

Л имеет 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, а в 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 расстояние

Л

L =q =, 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 этой выработки. Что касается волн с большей длиной, то они будут огибать конструктивные элементы, а волны с большей частотой

5 быстро затухают при преломлении и отражении, Часть спектра волн, частота которых меньше частоты отсечки 1,(Гц)= — = =300.вообще не могут распрост300

21 25

10 раняться в конструктивных элементах. Следовательно, заявленный способ позволяет предотвращать горные удары тектонического типа.

Сущность способа поясняется черте15 жом, где на фиг. 1 показан план участка рудничного поля на одном из рабочих горизонтов, на фиг. 2 показан участок горных работ с защитными выработками, на фиг. 3 показан разрез и способ проведения защит20 ных выработок при варианте защиты от прямых и отраженных сейсмических волн.

На чертеже показаны граница 1 активного блока; граница сейсмоактивной зоны 2, центр 3 масс сейсмических событий; фронт

25 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; подсти30 лающие породы 10, а также показаны

oi, о2, сгз — главные нормальные напряжения; «, Л» — длины волн сейсмического излучения соответственно в направлении осей главных нормальных напряжений г и k; Z«м, 35 Хц. — координаты центра масс сейсмических событий (гипоцентров и эпицентров);

1= максимальный размер в сечении очистных выработок; m — мощность рудоносного литологического слоя; и, р, s, t u q — числа из

40 натурального ряда цифр. (р = 10, q 10)

Способ осуществляется в следующей последовательности операций, В пределах рудничного поля определяют границы 1 сейсмоактивных блоков, Границы 1 устанавливают на основе геологических исследований путем выявления наличия движений в новейшее время. Определяют внутри этих границ I на основе данных сейсмологических исследований контуры сейсмоактивных зон

50 2. Границы зон устанавливают на основе изолиний сейсмической энергии, Определяют по направлению оси I максимальных нормальных сжимающих напряжений внутри границ 1, в каждой из п активных зон 2, 55 и центр 3 масс — Хц, ., гипоцентров сейсмических событий. Хц,м. — координата центра масс эпицентров в горизонтальной плоскости в направлении!. Координаты Xn«.>< могут быть определены, например, как центр

1778721 круга, ограниченного изолинией максимальной сейсмоэнергии,Определение координат в направлении j 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 ц, лг, k,, ..., g,, COOTBBTCTBBHHO, между

1 ? границей блока и указанными центрами масс, а также между самими центрами вдоль границы 1 блока X«,м., Хц.м,..., Хц.м. и

Определяют из этих величин максимальную

Я" " =k (например).

Затем определяют в прилегающих к активным зонам максимальный линейный размер L в сечении проектируемых выработок, После этого впереди фронта 4 горных работ на расстоянии р i "с от границы 1 блока по направлению оси j алгебраически максимальных напряжений проходят спаренные (параллельные) выработки 5 шириной не более чем L, которые располагают друг относительно друга на расстоянии L, а образовавшийся ленточный целик 6 ðàññåкают или дезинтегрируют через равные интервалы,равные L, на ширину L, 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 s 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 А = — (qi-1, 2 ...), 2L

q1 то 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 горнотектонический удар, тем самым предотвратив его проявление в зоне очистных или подготовительных работ, В ряде случаев имеет место, за счет ïðåломления основного излучения, проявление гипоцентров явлений от возбуждения границы 8 литологических разностей. В таком случае наибольший энергоперенос будет вдоль К и для предотвращения горно-текто5 нических ударов такого типа необходимо проведение по вышеописанной схеме выработок ниже горных работ. Для этого определяют по направлению оси k внутри границ каждой из активных зон и центр масс 2«.M.

10 гипоцентров сейсмических событий и рассчитывают по указанному направлению величину расстояния AP" . Аналогично тому, как определялись i . Далее определяют

ig " è местоположение точки Хц. ., Z«.и., а спаренные выработки 5, проходят в подстилающих породах на расстоянии q4"" от сейсмоактивной границы 8 раздела литологических слоев в направлении оси j, перпендикулярно оси К проведенной через точку (Хц. „ Z«.м.).

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 m 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 оси максимальных, нормальных сжимающих напряжений, внутри границ в каждой из эон и, центра масс

X„„эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов. расчет по указанным направлениям величины расстояния 4, соответственно, между границей блока и указанными центрами масс вдоль границы блока, определение из этих величин максимальной Я" ", а в прилегающих к активным зонам n — максимального линей1778721

10 ного размера L в сечении проектируемых выработок, проведение впереди фронта горных работ, на расстоянии р Я" " от границы сейсмоактивного блока, по направлению оси ) алгебраически максимальных главных нормальных напряжений, спаренных защитных выработок шириной не более чем L, которые располагают друг относительно друга на расстоянии L, дезинтеграция образованного между ними ленточного целика через интервалы, равные L, на ширину L, назначение высоты данных выработок не менее, чем высота выработок в зоне отработки. где и, р, s — числа из натурального ряда и р 10, а также дополнительно определение по направлению оси k нормальных промежуточных сжимающих напряжений, внутри каждой из активных зон и, центра масс (Хц. .. .Z«,м,) гипоцентров сейсмических событий, расчет по укаэанной оси kрасстоя,ния 4, аналогично Ч и определение из них максимального Я з, проведение защитных спаренных выработок на расстоянии q ig " от сейсмоактивной границы раздела литологических слоев в направлении оси, через ось, проведенную через точку (Х«.M., Z«" ц.), где с, q — числа из натурального ряда и q 10, 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-тектонических ударах.

Конкретный пример выполнения способа, Способ испытывался на одном из месторождений ПО "Севуралбокситруда".

Сейсмоактивным дизьюнктивом строящегося участка месторождения гор — 620 м являлся 3 Северный сброс.

Для него характерны n=6 активных зон, две из которых локализованы вдоль сброса, . а четыре других локализованы вдоль линий

L< и Lz, перпендикулярных плоскости сброса и проходящей через Х«м и Х«,„первых

1 2 двух зон.

Рассматривая центр шара внутри эоны, ограниченной поверхностью с Е=10 Дж, в

8 качестве центра масс (X „.; Х„. ) составляют следующую выборку: { 4=5 м; Я =6 м} вдоль границы 3 Северного сброса { i4 =4 м;

k--3 м} вдоль линии L>, проходящей через

4 гипоцентр с А и { "=5 м: 4 =4 м} — вдоль

55 эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов горных работ, рассчитывают по указанными направлениям величину расстояния Я между границей блока и центрами масс вдоль границы блока..определяют максимальное расстояние Я ", а в прилегающих к активным зонам fl — характерный линейный размер L в сечении проектируемых выработок, после этого впереди фронта горных работ на расстоянии р Ц" " от границы сейсмоактивниго блока в ортогональном к оси i направлении проходят спаренные защитные выработки шириной, не превышающей L, при этом их располагают друг относительно друга на расстоянии L, а образованный между ними ленточный целик дезинтегрируют через интервалы и на ширину, равные L, высоту защитных выработок принимают равной по крайней мере высоте выработок в зоне отработки, где и, р, s — числа натурального ряда,ар 10, линии Lz, проходящей через 4, 1; и Л отсчитываются от 4, à 3 и Г отсчитива1 ются оТ Я, следовательно, Я =Я"""" =бм, 5 Для Х местоположение центра масс гипоцентров сейсмических явлений Z« „=-92,0 м. и

Наибольший пролет! для рассматриваемого участка равен 6 м.

Ось i имеетсубширотное простирание с азимутом Аз=15 . Тогда ось j характеризуется азимутом 105, осьЪ перпендикулярна пластам

Учитывая, то центр масс (Х«. ) эпицентров явлений располагается в рудном теле, то спаренные защитные выработки проходят по руде высотой на всю мощность m=5 м рудного тела шириной L=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, отличающийся тем, что. с целью снижения затрат на реализацию способа, внутри границ в каждой из сейсмоактивных зон и по направлению оси i максимальных

35 нормальных сжимающих напря>кений дополнительно определяют центр масс Х«м

1778721

2. Способ пои. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения надежности способа, дополнительно определяют в вертикальном направлении центры масс 2ц. гипоцентров сейсмических событий и расстояния 4 и Ж ", а спаренные защитные выработки проходят на расстоянии q Aj< от сейсмоактивной границы раздела в ортогональном к оси l направлении, где t, р— числа натурального ряда, а р R 10.

3. Способ по и. 1, отличающийся

5 тем, что высоту спаренных защитных выработок выбирают равной мощности рудоносного литологического слоя, 1778721

Составитель А. Корн

Редактор Т. Полионова Техред М.Моргентал Корректор И. Шмакова

Заказ 4192 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101