Способ предотвращения горно-тектонических ударов Советский патент 1992 года по МПК G01V1/00 E21F5/00 

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 удароопас- ного массива в неудароопасное состояние.

По данному способу предусматривается бурение скважин по контуру горной выработки на одинаковом расстоянии друг от друга. Глубину скважин устанавливают равной не менее чем расстояние от контура выработки до верхней границы третьей зоны трещиноватости. Затем из каждой скважины нарезают щели, которые путем

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 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 зон, воздействие на массив на интервале между вышеназванными границами и горными 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 горны 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 предельной на одноосное сжатие, считают удароопасным. Однако в зависимости от динамики нагружения неустойчивое состояние может проявляться как в статических формах разрушения (отслоения, заколооб0 разования, растрескивания горных пород),

так и в динамических формах - в форме

горных ударов различной интенсивности.

Указанная динамическая нагрузка может

вызываться перераспределением горного

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

0 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. На5 стоящий способ предназначен для предотвращения горных ударов тектонического типа, когда источник горного удара (гипоцентр сейсмического события) и место гйрного удара не совпадают.

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

В результате упругого срыва по границе тектонического нарушения в массив излуча5 ется импульс напряжений, длительность которого составляет несколько секунд. Наибольший энергоперенос имеет место в направлении, перпендикулярном поверхности разрыва, так как поверхность разрыва

0 есть исходный фронт упругой волны.

Наибольшей скоростью обладает продольная упругая волна, которая достигает поверхности защитной выработки и практически полностью отражается опять в мас5 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 находит0 ся на уровне I отрабатываемого или точнее защищаемого горизонта. Однако в большинстве случаев гипоцентр сейсмического события располагается либо выше, либо ниже уровня горных работ, тогда продольная

5 упругая волна с определенными параметрами (о которых будет сказано далее) попадает в волноводы, образованные системой выработок целиков и камер шириной L.

В исходном волновом импульсе содержится широкий спектр волн с длиной волны

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 расстоя- нии от границы блока, равном р (р 10), будут иметь практически плоский фронт, во- вторых, попадая в зону отработки, они будут проявлять волноводные свойства.

Основная идея заявленного способа за- ключается 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, связан- ная с геометрией волновода.

Если в исходном спектре сейсмоиз- лучения имеются упругие волны, длины которых А соответствуют соотношению

А

2 ( 2. 3 ...), то в том из целиков, где

имеет место данное событие, может возникать стоячая волна. Тогда все признаки рас- пространяющейся 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 анизот- ропное 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 руднич- ного поля. Такой способ по принципу действия в какой-то мере можно уподобить громоотводу.

Положение выработки также предопределено необходимостью реализации горио- го удара вне зоны текущей отработки. Если между поверхностью излучения, плоскостью сейсмогенерирующего разлома и поверхностью выработки будет расстояние

77 - л 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 поперхног.тн этой выработки. Что касается волн с большой длиной, то они будут огибать конструктивные элементы, а волны с большей частотой быстро затухают при преломлении и отражении. Часть спектра волн, частота которых меньше частоты отсечки тс(Гц)

- пс 300,вообще не могут распространяться в конструктивных элементах. Следовательно, заявленный способ позволяет предотвращать горные удары тектонического типа.

Сущность способа поясняется чертежом, 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 защитных 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 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; подстилающие породы 10, а также показаны о , Ог , оз - главные нормальные напряжения; AI , Ак -длины волн сейсмического излучения соответственно в направлении осей главных нормальных напряжений i и k; ZU.M; Хц.м - координаты центра масс сейсмических событий (гипоцентров и эпицентров); L- максимальный размер в сечении очистных выработок; m - мощность рудоносного литолопчческого слоя; n, p, s, t и q - числа из 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 1 на основе данных сейсмологических исследований контуры сейсмоактивных зон 2. Границы зон устанавливают на основе изолиний сейсмической энергии. Определяют по направлению оси i максимальных нормальных сжимающих напряжений внутри границ 1, в каждой из n активных зон 2,

центр 3 масс - Хц.м., гипоцентров сейсмических событии. Хцм. - координата центра масс эпицентров в горизонтальной плоско- n

сти в направлении I. Координаты Хпц.м могут быть определены, например, как центр

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 зон 2. Для каждой из зон 2 по направлению оси рассчитывают величину расстояния

Ai1 .А , ,, соответственно, между

границей блока и указанными центрами масс, а также между самими центрами

вдоль границы 1 блока Хц.м., Хц.мХц.м.

Определяют из этих величин максимальную

ATaKC Aj1 (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 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 рассекают 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 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,

2 L содержащий гармонику А --(. 2 ...),

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 преломления основного излучения, проявление

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

гипоцентров явлений от возбуждения границы 8 литологических разностей. В таком случае наибольший энергоперенос будет вдоль k, и для предотвращения горно-тектонических ударов такого типа необходимо проведение по вышеописанной схеме выработок ниже горных работ. Для этого определяют по направлению оси 1Г внутри границ каждой из активных зон п центр масс Z4.M. гипоцентров сейсмических событий и рассчитывают по указанному направлению величину расстояния . Аналогично тому, как определялись Af. Далее определяют

АЈакси местоположение точки Хц.м.; Z4.M., a спаренные выработки 5, проходят в подстилающих породах на расстоянии от сейсмоактивной границы 8 раздела литологических слоев в направлении оси j, перпендикулярно оси k, проведенной через точку (Хц.м., 2ц.м.).

Природное скопление полезных ископаемых 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 7 максимальных. нормальных сжимающих напряжений, внутри границ в каждой из зон п, центра масс

Хц.м. эпицентров сейсмических событий на уровне защищаемых горизонтов, расчет по указанным направлениям величины расстояния Af, соответственно, между границей блока и указанными центрами масс вдоль границы блока, определение из этих величин максимальной АГ8|СС, а в прилегающих к активным зонам п - максимального линей

ного размера L в сечении проектируемыхлинии , проходящей через А , и Л - выработок, проведение впереди фронта,1 .«; ,б

таксотсчитываются от AI , а Аг и л отсчитывэгорных работ, на расстоянии р /Г от гра-12,9 жякс /

ницы сейсмоактивного блока, по направле-™ся™ # следовательно, # -Д| -6м.

нию оси f алгебраически максимальных 5Для Х местоположение центра масс гипоглавных нормальных напряжений, спарен-центров сейсмических явлений Zf, ,..,0 м. ных защитных выработок шириной не болееНаибольший пролет L для рассматривачем L, которые располагают друг относи-емого участка равен 6 м. тельно друга на расстоянии L, дезинтегра-Ось i имеет субширотное простирание с

ция образованного между ними ленточного азимутом . Тогда ось характеризуетцелика через интервалы, равные L, на ши-ся азимутом 105°, ось к перпендикулярна

рину L, назначение высоты данных вырабо-пластам.

ток не менее, чем высота выработок в зонеУчитывая, то центр масс (Хц м) эпицент- отработки, где n, p, s -числа из натураль-ров явлений располагается в рудном те- ного ряда и р 10, а также дополнительно ле, то спаренные защитные выработки определение по направлению оси к нор-проходят по руде высотой на всю мощ- мальных промежуточных сжимающих на-ность т-Ъ м рудного тела шириной м пряжений, внутри каждой из активных зонпо азимуту 105° на расстоянии не менее п, центра масс (Хц м :гцм) гипоцентров сей-чем 10 м ( выбрано из условия смических событий, расчет по указанной иплоскОго фронта), оси к расстояния Д, аналогично А и опре-Формула изобретения деление из них максимального /Гкс, прове-1 Спос°б предотвращения горно-текто- дение защитных спаренных выработок нанических ударов, включающий определение 1МЯ„- псвнутри рудничного поля границ сейсмоак- расстоянии q AJ от сейсмоактивной гра- тивных 6/1OKOBi сейсмическую локацию мас- ницы раздела литологических слоев в на-сива горных пород, определение контуров правлении оси, через ось, проведеннуюсейсмоактивных зон п, дезинтегрирующее через точку (ХцМ ; Z м). где t, q - числа извоздействие на массив на интервале между натурального ряда и q 10, и кроме того зоназванными границами и зоной горных ра- назначение высоты защитных спаренныхбот, о т л и ч а ю щи и с я тем, что с целью выработок равной мощности рудоносногоснижения затрат на реализацию способа, литологического слоя, является новой сово-внутри границ в каждой из сейсмоактивных купностью операций, позволяющей сни-зон п по направлению оси I максимальных зить затраты на выполнение способа и 35нормальных сжимающих напряжений до- затраты на аварийно-восстановительныеполнительно определяют центр масс X м работы, расходуемые при горно-тектониче- эпицентров сейсмических событий на уров- ских ударах,не защищаемых горизонтов горных работ, Конкретный пример выполнения спосо-рассчитывают по указанными направпениба Способ испытывался на одном из мес- 4°ям ве™чинУ расстояния А между граниторождений ПО Севуралбокситруда.цей блока и Центрами масс вдоль границы

Сейсмоактивным дизьюнктивом строя-блока- -определяют максимальное расстоящегося участка месторождения гор - 620 мние АГЗКС, а в прилегающих к активным зоявлялся 3 Северный сброс.45нам n характерный линейный размер L в

Для него характерны активных зон,сечении проектируемых выработок, после

две из которых локализованы вдоль сброса.этого впереди фронга горных работ на раса четыре других локализованы вдоль линийстоянии рАГкс от границы сейсмоактивного

U и I.2, перпендикулярных плоскости сбро-блока в ОрТОгональном к оси i направлении

са и проходящей через Хц м и ХцМпервых 50проходят спаренные защитные выработки

двух зон.шириной, не превышающей L, при этом их

Рассматривая центр шара внутри зоны,располагают друг относительно друга на

ограниченной поверхностью с Дж, врасстоянии L, а образованный между ними

качестве центра масс (Х „ ; Xi} „) составля-ленточный целик дезинтегрируют через ин, ,i , , 55тервалы и на ширину, равные L, высоту зают следующую выборку: { А, 5 м; Af 6 м}щитных выработок принимают равной по

вдоль границы 3 Северного сброса { А 4м;крайней мере высоте выработок в зоне отAf 3 м вдоль линии Li, проходящей черезработки, где n, p, s - числа натурального

.i , .с ,е , ,ряда, а р 10. гипоцентр с А и { А} -5 м: Аг 4 м} - вдоль

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения надежности способа, дополнительно определяют в вертикальном направлении центры масс ZU.M гипоцентров сейсмических событий и расстояния Д и $акс, а спаренные защитные выработки проходят на расстоянии q

от сейсмоактивной границы раздела в ортогональном к оси I направлении, где t, q - числа натурального ряда, a q Ј10.

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что высоту спаренных защитных выработок выбирают равной мощности рудоносного литологического слоя.

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

Фиг

Фиг.2

со

CD