А.А.Козырев, Панин В.И., Савченко С.Н. Горный институт КНЦ

А.А.Козырев, Панин В.И., Савченко С.Н.
Горный институт КНЦ РАН
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЯ
ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
В системе фундаментальных наук о Земле геомеханике принадлежит одно из ведущих мест,
поскольку взаимодействие большинства геофизических полей определяется в основном геомеханическими
процессами в земной коре. Значение её существенно возрастает в современных условиях в связи с резким
увеличением антропогенной нагрузки на биосферу, в том числе с повышением объемов добычи полезных
ископаемых и с расширением различного рода строительства в геологической среде.
Геомеханические исследования в Горном институте Кольского научного центра РАН, начатые в начале 60-х
годов прошлого века под руководством члена-корреспондента АН СССР И.А.Турчанинова, всегда занимали
значительное место. Наряду с решением практических вопросов освоения минеральных ресурсов и развития
горнодобывающей промышленности Мурманской области постоянно совершенствовалась научно-методическая
база геомеханических исследований, расширялись методические и технические возможности теоретических и
экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве.
Развитие геомеханических исследований в Горном институте в последние десятилетия обусловлены главной
тенденцией в прогрессе минерально-сырьевого сектора, определяющую особенность всего научно-технического
прогресса в горной промышленности [1]. Эта тенденция состоит во все большей локализации добычи минерального
сырья в пределах горнопромышленных узлов и горнопромышленных регионов.
Увеличение объемов и концентрации горного производства оказывает грандиозное воздействие на верхнюю
часть литосферы, которое не ограничивается только изъятием из земных недр и перемещением огромных количеств
горной массы, воды, нефти и газа. При этом нарушается нормальное функционирование геофизической среды,
возникающие в ней в результате техногенного воздействия огромные потоки энергии рождают диссипативные
структуры, обусловливающие появление в геологической среде неустойчивых состояний, которые реализуются в
виде различного рода техногенных катастроф, среди них наиболее опасными являются техногенные землетрясения.
Проблема техногенной сейсмичности актуальна для многих стран с развитой горнодобывающей
промышленностью, о чем свидетельствуют материалы Шестого симпозиума по горным ударам и сейсмичности,
который состоялся в Австралии в марте 2005 г. [2].
Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что горно-тектонические удары и техногенные
землетрясения проявляются на всех месторождениях, где выявлены аномально высокие естественные
напряжения в массиве, вне зависимости от типа тектонической структуры (стабильные щиты, подвижные
платформы, мобильные горно-складчатые области) (рис.1).
Для формирования техногенных землетрясений при ведении горных работ необходимо сочетание ряда
условий, прежде всего, высокий уровень горизонтальных тектонических напряжений в массиве пород,
определяемый соответствующей тектонофизической обстановкой (т.е. наличием зон с большими градиентами
скоростей новейших тектонических движений). наличие соответствующих хрупких высокопрочных пород с
тектоническими неоднородностями в пределах зоны разработки, благоприятные геоморфологические условия
(гористый рельеф), наличие крупномасштабной разработки (площадь выемки, глубина разработки, объем
извлекаемой и перемещаемой горной массы), взрывное воздействие при проходке выработок и отбойке руды.
Проявление новейших движений ведет к перераспределению напряжений в земной коре, что сказывается на
поведении отдельных блоков, выражающемся в медленном (крип) или скачкообразном движении (толчки) по
разломам. Инженерная деятельность человека может рассматриваться как дополнительное кратковременное
внешнее воздействие на сложную цепь природных взаимосвязанных процессов, выступающего в роли триггера
ранее накопленной упругой энергии, определяющей напряженность массива горных пород.
Под влиянием же ведения горных работ напряжения концентрируются в окрестности очистного
пространства и достигают предельных значений значительно раньше и чаще реализуются в виде более слабых
толчков. При действии же мощных взрывных воздействий поля напряжений складываются, и реализация
разрушений наступает еще раньше. Поэтому для прогноза таких опасных явлений как горно-тектонические удары и
техногенные землетрясения весьма важным представляется выявление напряженного состояния нетронутого
массива, возможных деформаций и дополнительных напряжений вследствие крупномасштабной выемки горных
масс, условий высвобождения накопленной энергии.
Рис. 1. Карта напряженного состояния горных пород в основных горнопромышленных районах бывшего
СССР
Поскольку массив горных пород представляет сложную иерархично-блочную среду, то его разрушение
реализуется, как правило, по наиболее слабым связям, т.е. тектоническим нарушениям между блоками. Крупное
событие типа техногенного землетрясения реализуется в результате совместного разрушения сразу многих
предельно напряженных неоднородностей в массиве. Вероятность этого события естественно тем меньше, чем
больше объем очага (формируемой отдельности разрушения). Согласно данным работы [3], естественная
сейсмичность массива, распределение частоты землетрясений от энергии (или же от размеров очага) определяется
только скоростью деформаций пород в представительном для рассматриваемого землетрясения объеме массива.
Непременным условием определения верной стратегии управления геодинамическими процессами при
отработке месторождений является получение надежной информации о параметрах поля напряжений в нетронутом
массиве пород. Наиболее распространенной гипотезой, объясняющей формирование общих закономерностей
напряженного состояния в верхней части земной коры, является гипотеза, использующая модель тектоники плит.
При этом предполагается, что региональные поля напряжений в крупных структурах формируются за счет
взаимодействия литосферных плит в зонах субдукций, столкновения плит, скольжения либо сдвига плит друг
относительно друга. Предложена расчетная схема формирования напряженно-деформированного состояния в ЕвроАзиатской блочной плите за счет раздвига пород в рифтовых зонах и давления океанической части плиты на
континентальную [4]. Задача решалась в упругой постанове методом граничных интегральных уравнений. При этом
установлено, что распределение напряжений в блочной среде крайне неоднородно и мозаично. Преимущественное
направление максимального сжатия определяется пространственным положением блока в модели, положением
основных разломов, разделяющих геоблоки, формой блока и его положением относительно границ модели [5,6].
Напряженное состояние в блоках меньшего структурного уровня определялось таким же расчетом с
заданием на границах этого блока напряжений, полученных из предыдущего более общего решения. Используя
указанный подход, нами было исследовано распределение напряжений в блочной среде Фенноскандии, а далее
Кольского полуострова (рис.2), блока, включающего Хибинской и Ловозерский массивы. В качестве примера
приведены также данные о распределении напряжений в блоковой структуре, соизмеримой с размерами шахтного
поля Кировского рудника ОАО «Апатит» (рис.3). Для подтверждения адекватности применяемой расчетной схемы
полученные данные сопоставляются с реперными определениями напряжений, полученными инструментальными
методами на месторождении. Полученные данные являются основой для районирования шахтных полей по уровню
естественного напряженного состояния. При этом выделяются четыре уровня напряженного состояния: I –
сильнонапряженные σ3>40 МПа; II – средненапряженные σ3=20-40 МП; III – слабонапряженные σ3<20 МПа; IV –
ненапряженные (породы раздробленных и окисленных зон) σ3≈0 МПа.
Рис. 2. Распространение напряжений σх в блочной среде Кольского полуострова:
– выделенные энергонасыщенные зоны;
– места основных землетрясений в пределах рассматриваемой
зоны
При отработке месторождений образуются очистные пространства значительных размеров,
существенно изменяющие исходное напряженное состояние на горизонте и в пределах геомеханического
пространства рудника. В различных точках массива в зоне влияния очистных пространств концентрация
напряжений может увеличиваться в 2-3 раза, что приводит, особенно с углублением горных работ, к
резкому усложнению вопросов управления горным давлением, повышению опасности возникновения
горных ударов в зоне ведения горных работ. Для установления закономерностей напряженнодеформированного состояния пород вокруг очистных пространств используются методы численного
моделирования: в частности, метод граничных элементов в плоской постановке и метод конечных
элементов в объемной постановке.
Анализ мирового и отечественного опыта борьбы с техногенной сейсмичностью показывает, что в решении
этой проблемы следует идти по пути оценки сейсмической опасности (аналогично сейсмическому районированию)
и разработки соответствующих профилактических мероприятий, устраняющих или снижающих риск
непрогнозируемых мощных динамических явлений в рабочей зоне рудника. При этом достаточно плодотворным
представляется системный подход к решению проблемы техногенной сейсмичности [7].
Рис.3. Распределение напряжений σх в массиве пород на гор.+252м Кировского рудника с учетом разломной
тектоники
Рудник с вмещающим его участком геологической среды образует сложную открытую природнотехническую систему (ПТС), эволюция которой осуществляется по известному алгоритму – чередованием стадий
адаптации и бифуркаций [8]. В данном случае речь идет о геомеханической эволюции ПТС. В процессе отработки
месторождения в геологической среде формируются энергонасыщенные зоны (участки высоконапряженных
пород), которые мигрируют вместе с перемещением фронтов горных работ. В результате энергетического
взаимодействия естественных и техногенных энергонасыщенных зон в геологической среде возникают
пространственно-временные локализации критических участков, разрядка которых может реализоваться в виде
катастрофы по типу динамических явлений вплоть до горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений
(ГТУ-ТЗ).
Нелинейность и неоднородность геологической среды обусловливают на настоящем этапе
исследований невозможность прогноза времени реализации этих событий с достаточной для практических
целей точностью. Поэтому реальной задачей в проблеме прогноза и профилактики ГТУ-ТЗ является
определение пространственно-временных координат критических участков и управляемый вывод их из
этого состояния посредством организационно-технологических мероприятий.
Как отмечалось выше, современный уровень развития горнодобывающей промышленности
характеризуются тем, что в ряде горнопромышленных районов горные работы достигли таких масштабов, что
образуются крупные ПТС, включающие в себя ряд взаимовлияющих открытых и подземных рудников с
соответствующими объектами инфраструктуры. Типичным представителем такой системы является ПТС
«Хибины» (рис.4), в состав которой входят 2 подземных рудника и 4 карьера, 2 обогатительные фабрики,
энергетические и транспортные объекты, которые находятся в сложном функциональном и экологическом
взаимодействии между собой и окружающей природой.
Горные работы на рудниках достигли таких объемов, которые обусловили существенный рост
техногенного воздействия на тектонически напряженный Хибинский массив, что проявляется в
дифференцированных аномально высоких подвижках отдельных структурных блоков и повышении уровня
напряженности в некоторых их них, формировании на дневной поверхности больших зон обрушения,
трещин отрыва, что приводит к повышению общего уровня сейсмичности. При этом наиболее мощные
динамические явления приурочены, как правило, к зонам ведения горных работ. Динамика горных ударов и
техногенных землетрясений на апатитовых рудниках с конца 1970-х годов по настоящее время показана на
рис.5.
•Расвумчоррский
р-к
Рис.4. Схема природно–технической системы «Хибины»
Рис.5. Распределение горных ударов по годам на рудниках ОАО «Апатит»:
– горные удары;
– горно–тектонические удары и техногенные землетрясения
Анализ накопленных к настоящему времени результатов многолетних отечественных и зарубежных
исследований позволяет установить ряд основополагающих закономерностей:
– пространственное распределение динамических явлений в рудниках соответствует распределению
напряжений в массиве, которое в свою очередь определяется геологическим и тектоническим строением
месторождения, геометрией очистных пространств, наличием концентраторов напряжений типа блоковцеликов, подработанных консолей висячего бока рудного тела и др.;
– большая часть мощных динамических явлений инициируется технологическими взрывами;
– процессы формирования и миграция очагов динамических явлений отражаются в кинематических и
динамических параметрах сейсмичности и деформационных полей, которые могут служить индикаторами
критического состояния контролируемых участков массива пород.
Из перечисленных закономерностей следуют основные методические положения прогноза опасности ГТУТЗ. В первую очередь осуществляется региональный прогноз удароопасности на основе анализа напряженного
состояния контролируемого участка, для чего изучается геология и тектоника района; на основе геометрии горных
работ по латерали и вертикали выполняют аналитические оценки локализации высоконапряженных
(энергонасыщенных) участков, на которых затем экспериментальными методами определяют фактический уровень
напряженности (энергонасыщенности) опасных участков.
На основе регионального прогноза планируется общая стратегия отработки месторождения, которая должна
обеспечить функционирование ПТС в режиме адаптации. Целью этой стратегии является устранение или
минимизация концентрации напряжений в районе ведения горных работ, а также снижение способности пород в
опасной зоне к накоплению критических запасов потенциальной энергии упругого деформирования.
Снижение концентрации напряжений может быть достигнуто опережающей отработкой соседних
защитных пластов, залежей, слоев (надработка); опережающей выемкой вертикальных и наклонных
защитных зон по контакту висячего бока с целью отрезки отрабатываемого основного участка от высоких
горизонтальных напряжений; ведением очистных работ без целиков с ориентацией фронта этих работ в
соответствии с имеющимися в массиве тектоническими нарушениями; уменьшением зависания
подработанных пород; исключением работ на уменьшающейся целик; сокращением опережения
выработками фронта очистных работ; исключением встречных и догоняющих фронтов очистных работ;
ориентировкой продольных осей основных капитальных и камерных выработок по направлению действия
максимальных горизонтальных напряжений, преимущественным расположением подготовительных
выработок в разгрузочной зоне либо под обрушением в закладочном массиве; ведением горных работ при
оптимальном расстоянии между сближенными выработками и т.д.
Снижение способности приконтурного массива пород к накоплению энергии упругого деформирования
достигается применением камуфлетно-сотрясательного взрывания, мощных виброисточников, нагнетанием через
скважины воды или поверхностно активных жидкостей, созданием специальных разгрузочных щелей.
Поскольку использование перечисленных выше мероприятий связано, как правило, с существенными
дополнительными затратами, то для оценки целесообразности и объемов их применения следует проводить
более детальную оценку опасности ГТУ-ТЗ по специальной методике, структура которой включает в себя
ряд последовательных блоков: блок регионального прогноза, блок детального моделирования напряженнодеформированного состояния пород (НДС), блок инструментального контроля НДС и блок технических
решений (рис.6).
Как показывает опыт, по причине неоднородности состава и строения горных пород в массиве,
неполной геомеханической и геологической информации, вынужденных (ситуативных) отступлений от
проекта горных работ в руднике периодически возникают кризисные ситуации, обусловленные внезапными
разрушениями горных выработок, в том числе и по причине динамических явлений в массиве пород.
Поскольку все кризисные ситуации развиваются по универсальной модели, то и ликвидацию этих ситуаций
следует осуществлять также по типовому алгоритму [9], блок-схема которого показана на рис. 7.
В первую очередь осуществляют идентификацию кризисной ситуации (определение типа
разрушения, мощности динамического явления и т.д.) и оценивают риск от этого явления для всего
технологического процесса по формуле:
R = P⋅D ,
где P – вероятность реализации динамического события или коэффициент геодинамической
опасности; D - суммарный ущерб.
Вероятность реализации динамического события оценивают по имеющейся на предприятии
соответствующей статистике или по данным геодинамического мониторинга.
Суммарный ущерб определяют по формуле:
D = (D1 + D2 + D3 + D4 )
Блок регионального прогноза и анализа информации
Анализ
геологии и
тектоники
Мелкомасштабное
моделирование поля
напряжений
Анализ
данных
сейсмостанции и др.
Визуальное
обследование
Корректировка
начальных и нет
граничных
условий
Соответствие
реальности
да
Определение категории состояния выработки
и элементов системы разработки
Общий анализ ситуации, выбор
наиболее опасных участков
Блок детального моделирования и анализа информации
Детальное
моделирование
опасного участка
Анализ информации, выбор наиболее
опасных конструктивных элементов
системы разработки
Блок инструментального контроля
Детальное визуальное
обследование опасных
элементов участка
Анализ результатов
натурных наблюдений
Оценка степени безопасности и
технико-экономическая оценка
Корректировка
параметров
модели
Выбор комплекса
методов и подготовка
оптимальной системы
наблюдений для
инструментального
контроля
Поверка
эффективности
мероприятия
Проведение
инструментальной
оценки опасных
элементов участка
Соответствие
да
нет
Блок технических решений
Изменение порядка
отработки
Специальные
мероприятия
Организационные
мероприятия
Выбор типа крепи
Эксплуатация выработки и контроль за изменениями состояния
Рис. 6. Блок-схема аппаратно-программного комплекса
ЛИКВИДАЦИЯ
КРИЗИСНОЙ СИТУАЦИИ
ФОРМИРОВАНИЕ
БАНКА ДАННЫХ
Идентификация
кризисной ситуации
Оценка риска от
кризисной ситуации
Формирование банка
данных о динамике
объекта
Построение модели
динамики объекта
Выявление внешних и
внутренних причин
кризисной ситуации
ФОРМИРОВАНИЕ
Анализ вариантов
выхода из кризиса
БАНКА
ДАННЫХ
Определение путей
выхода из кризисной
ситуации и
обоснование системы
антикризисных мер
Прогноз последствий
выполнения мер по
выходу из кризиса и
их корректировка
Итоговый анализ
преодоления кризиса
и корректировка
регламента ведения
горных работ
О
КРИЗИСАХ
И
О
ПУТЯХ
ВЫХОДА
ИЗ
КРИЗИСА
Рис. 7. Блок-схема ликвидации кризисной ситуации
где: D1 = P1 ⋅ C1 ⋅ K ⋅ n – ущерб от травмирования рабочих: P1 - вероятность присутствия рабочих на
участке реализации динамического явления, К – коэффициент тяжести несчастного случая ( K max = 1 при
летальном исходе); n – число пострадавших рабочих; C1 – стоимость человеческой жизни (существуют
различные методики оценки стоимости человеческой жизни: в развитых странах стоимость жизни варьирует от 2.8
(Англия) до 7.6 (Япония) млн. долл. США [10]; смертельный случай на рудниках Норильска обходится в 11000 тыс.
руб. [11]); D2 – затраты на ремонт поврежденного оборудования и восстановления горных выработок; D3 – потери
за счет простоя горного участка или рудника; D4 – стоимость потерянных запасов по причине динамического
явления.
Величина риска может варьировать в широких пределах, а уровень его значимости для предприятия
определяется масштабами производства и технико-экономической конъюнктурой. Однако можно
констатировать, что ценность человеческой жизни определяется не только в денежном эквиваленте, поэтому
вопросам техники безопасности на любом руднике уделяют первостепенное значение.
Если риск оказывается неприемлемым, выявляются причины возникшей ситуации и определяются
пути её ликвидации. В достаточно простых случаях и при значительном опыте инженерно-технических
работников многие из приведенных в алгоритме процедур выполняются интуитивно. Однако в более
сложных случаях, действуя по приведенному алгоритму, можно сформировать базы данных и знаний о
кризисных ситуациях в руднике, что существенно облегчит выход из этих ситуаций.
Универсальность базовой модели определяет и универсальность алгоритма выхода из критических
ситуаций, то есть этот алгоритм может быть использован для ликвидации любой критической ситуации не
только во всех звеньях горнотехнического производственного процесса, но и в других сферах человеческой
деятельности.
Необходимо отметить, что несмотря на активные поиски, ни в сейсмологии, ни в горной науке пока
нет надежных методов прогноза мощных динамических явлений. Между тем достоверность прогноза таких
явлений в рудниках, чреватых не только значительными материальными потерями, но и человеческими
жертвами, должна быть близка к 100%–ной, что в ближайшей перспективе представляется практически
недостижимой. Поэтому основные усилия в проблеме техногенной сейсмичности должны быть направлены
на её профилактику, а эффективная профилактика может быть обеспечена только на знании объективных
законов эволюции ПТС и надежной диагностики её состояния. В связи с этим главной целью дальнейших
исследований по этой проблеме должно быть изучение геомеханических условий эволюции геологической
среды ПТС при горных работах в высоко напряженных массивах. Основное внимание в ближайшем
будущем должно быть обращено на решение следующих задач:
− обеспечение устойчивого инструментального геодинамического мониторинга геофизической и
геологической среды ПТС;
− развитие и разработка модельных представлений эволюции геологической среды ПТС на всех
этапах ее функционирования;
− поиск эффективных критериев диагностики критических состояний ПТС и разработка
соответствующих методик;
− разработка способов обеспечения эффективного (адаптивного) развития ПТС на всех этапах ее
функционирования в экстремальных горно–геологических условиях.
Исследования проводятся при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект
№ 03-05-65258.
Литература
1.
Мельников Н.Н., Чаплыгин Н.Н. Новые актуальные направления исследований в горной
науке // Будущее горной науки. М.: Наука, 1984. – С.18-26.
2.
Controlling Seismic Risk/ Sixth International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines
Proceedings 9-11 March 2005, Australia. Editors Yves Rotvin and Martin Hudyma/ Australian Centre for
Geomechanics.
3.
Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986, 301с.
4.
Козырев А.А., Савченко С.Н., Мальцев В.А. Разработка методических принципов
диагностики тектонических напряжений в верхней части земной коры с целью управления динамическими
проявлениями горного давления: Препр. – Апатиты, 1994. – 66 с.
5.
Савченко С. Н., Козырев А. А., Мальцев В. А. Напряженное состояние пород блочного
строения // ФТПРПИ. – №5. – 1994. – С. 38-47.
6.Савченко С. Н., Козырев А. А., Мальцев В. А. Напряженное состояние пород блочного строения различных
масштабных уровней // ФТПРПИ. – №6. – 1994. – С. 24-29.
7.
Сейсмичность при горных работах. Коллектив авторов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. –325 с.
8.
Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М.: Наука, 1987. –304 с.
9.
Яковец Ю.В. Циклы. Кризисы. Прогнозы. М.: Наука, 1999. –448 с.
10. Осипов В.И. Оценка природных рисков. Геоэкология, 2004, № 6. –С.483-490.
11. Катков Н.Н., Полуторный А.В. Затраты предприятия на один несчастный случай с летальным
исходом на рудниках Норильска. (по методике ВостНИИ). Горный инф.-аналит. бюл. М.: МГГУ, 2002, №7. –
С.28-29.