Введение
С освоением глубоких горизонтов и увеличением скорости добычи полезных ископаемых на горных предприятиях большую значимость приобретает прогнозирование геодинамических проявлений горного давления. Существующие, в настоящее время, методы прогнозирования проявлений горного давления базируются на определении зон напряженности и формировании очагов нарушения сплошности. Однако, увеличение скорости вынимания вмещающих пород приводит к тому, что службы прогноза и определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород не успевают справляться с выявлением очагов нарушения сплошности массива, поскольку методики определения напряженно-деформированного состояния массива требуют больших временных затрат. Скорость определения напряженных зон можно увеличить либо наблюдая в реальном времени за распределением горного давления в массиве с помощью систем информационных сбора обработки и анализа данных, но таких системы в настоящее время в России и за рубежом отсутствуют, либо наблюдая в зоне опасности для человека в реальном времени изменение напряженности. Одним из таких методов определения изменения напряженных состояний массива является бесконтактный метод, который основан на мониторинге откликов сопутствующего электромагнитного излучения на изменение напряженного состояния.
Анализ вопроса диагностики напряженно-деформированного состояния в массивах горных пород
Динамические проявления горного давления в массивах горных пород как одна из опасных форм их разрушения
В горнодобывающей промышленности в связи с увеличением глубины горных работ возрастает значение, задач связанных с прогнозированием геодинамических проявлений и перераспределения горного давления. Ведущие ученые: Мельников Н.В. [ CITATION НВМ78 \l 1033 ], Шемякин Е.И. [ CITATION ЕИШ73 \l 1049 ], Бронников Д.М. [ CITATION ДМБ79 \l 1049 ],[ CITATION ДМБ791 \l 1049 ], Курленя М.В. [ CITATION Кур \l 1049 ], Глушко В.Т. [ CITATION ВТГ71 \l 1033 ] и другие [ CITATION ВТГ71 \l 1049 ][ CITATION Бат98 \l 1049 ], рассматривающие проблемы увеличения глубины горных работ на первый план выдвигают вопросы роста напряженного состояния массива горных пород и динамических проявлений горного давления. Практика проведения горных работ и научные исследования свидетельствуют о том, что наиболее тесно с напряженным состоянием массива и скоростью его изменения связанны горные удары [ CITATION Пет90 \l 1049 ],[ CITATION Бат98 \l 1049 ].
Известно, что травматизм на горных предприятиях, в том числе со смертельным исходом связан с изменением напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Динамика травматизма со смертельным исходом в шахтах России с 1999г. по 2011г. представлена на Рис. 1 .1 [CITATION Гол04 \l 1049 ]. Часть из этих несчастных случаев напрямую или косвенно связана с геодинамическими проявлениями горного давления. К настоящему времени большинство рудных и угольных месторождений страны подвержены различного рода динамическим проявлениям горного давления. С началом освоения более глубоких горизонтов, динамические проявления становятся все более опасными[ CITATION Кур \l 1033 ],[ CITATION ВТГ71 \l 1049 ]. Тенденция динамических проявлений с 1988г. по 2007г. на месторождении «Антей» показана на Рис. 1 .2 [ CITATION Рас07 \l 1033 ], а на Таштагольском месторождении показана на Рис. 1 .3. Динамические проявления горного давления происходят на всех рудниках и шахтах, в частности на рудниках Таштагольского, Антей, Ловозерского месторождений, Норильска, Северо-Уральских бокситовых рудников и др.
Рис. 1.1 - Динамика травматизма со смертельным исходом на горных предприятиях России
Рис. 1.2 - Количество геодинамических проявлений горного давления на месторождении «Антей»
Рис. 1.3 - Количество геодинамических проявлений горного давления на Таштагольском месторождении
С середины XX века известны методы предупреждения геодинамических проявлений горного давления, которые базируются на исследовании НДС массивов горных пород, процессах трещинообразования в ходе геологических изысканий так и с ведением выемки горных пород.
Методы диагностики НДС массива горных пород условно можно поделить на механические и геофизические. Среди механических методов наибольшее распространение получили: основанные на выходе штыба при бурении скважины, по дискованию керна, вдавливании пуансона в торец скважины и другие [ CITATION Ука91 \l 1049 ]. Перечисленные методы отличаются значительной трудоемкостью и используются, как правило, для разовых оценок НДС массива. Сведения по механическим методам измерения напряжений рассмотрены в работах специалистов ВНИМИ, ИГД им. Скочинского, МГГУ, ИГД СО РАН, МАКНИИ и других.
Сведения, относящиеся к геофизическим методам оценки ударопасности и контроля НДС массива приведены в работах Новика Г.Я. [ CITATION Чих05 \l 1033 ], [ CITATION Per93 \l 1049 ], Ржевского В.В. [ CITATION Рже84 \l 1033 ], Соболева Г.А. [ CITATION Соб88 \l 1049 ], Мячкина В.Н. [ CITATION Мяч66 \l 1049 ],[ CITATION Мяч75 \l 1049 ], Берона А.И. [ CITATION Бер82 \l 1049 ], Ватолина Е.С., Воларовича М.П. [ CITATION Вол63 \l 1049 ], Ямщикова В.С. [ CITATION Ямщ78 \l 1049 ], Курлени М.В. [ CITATION Кур681 \l 1049 ], Опарина В.Н. [ CITATION Опа13 \l 1049 ] и других. К основным геофизическим методам оценки удароопасности относятся: определения НДС массива по фотоупругим датчикам, электрические, акустические, сейсмические, методы, основанные на исследовании электромагнитного излучения. Основным недостатком таких методов является их относительная трудоемкость и контактность.
Одним из перспективных геофизических методов для изучения динамики трещинообразования и получения сведений о процессе разрушения горных пород является бесконтактный, основанный на регистрации электромагнитного излучения, сопутствующего процессу деформации горной породы.
Существующие к настоящему времени методы и методики предупреждения геодинамических проявлений горного давления на конкретном месторождении не всегда можно использовать на других предприятиях вследствие уникальности их геологии, распределения поля механических напряжений, а также механических и физических свойств вмещающих пород. Следует отметить, что на различных месторождениях страны могут наблюдаться различные свои особенности форм геодинамических проявлений горного давления. Так, например, соотношения различных форм геодинамических проявлений на месторождении «Антей» показана на Рис. 1 .4 [ CITATION Рас07 \l 1033 ], а на Таштагольском месторождении показана на Рис. 1 .5 [Яворович Дисс.]. Из представленных диаграмм видно, что интенсивность различных форм геодинамических проявлений на разных месторождениях отличаются значительно. Поэтому при создании универсальных методов прогнозирования динамических проявлений горного давления должно учитываться множество различных уникальных факторов, таких как формы выработки, геомеханические и геофизические свойства вмещающих пород, использование современной горнодобывающей механизированной техники, отклики на изменение распределения механических напряжений, регистрируемых в виде электромагнитного излучения, деформации выработки и прочие. Для решения задачи определения НДС массива, в которой учитываются множество уникальных факторов необходимы аппаратно-программные комплексы сбора и обработки данных, которые к настоящему времени в России отсутствуют [ CITATION Сбо12 \l 1049 ].
Рис. 1.4 - Соотношение различных форм динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» за период с 1988 по 2006гг.
Рис. 1.5 - Соотношение различных форм динамических проявлений горного давления на Таштагольском месторождении за период с 1983 по 1995гг.
Основным направлением работ по уменьшению опасности геодинамических проявлений горного давления на рудниках является применение таких вариантов разработки месторождений, которые обеспечивают предотвращение горных ударов самостоятельно или в комплексе со специальными профилактическими мероприятиями. С точки зрения теории прочности, задача предупреждения об опасности сводится к снижению вероятности разрушения горной конструкции до допустимого уровня. Однако полностью исключить возможность тех или иных геодинамических проявлений горного давления не удается. Это объясняется тем, что механизм разрушения горной породы нельзя считать окончательно раскрытым, значения функций нагрузки и прочности, используемых в расчетах, имеют вероятностный характер. В [ CITATION Сбо12 \l 1049 ] отмечается, что не существует общепринятых нормативно-методических указаний по формированию систем контроля безопасного состояния горного массива и прогноза горных ударов, а задача их разработки является актуальной.
Ввиду случайного характера геодинамических проявлений в массиве горной породы, большой площади подконтрольных областей наблюдения, а также высокого уровня механического техногенного шума и вибраций, при разработке методов диагностики НДС массива горных пород и прогнозирования геодинамических проявлений горного давления, необходимо опираться на большое количество априорных данных. Закладывать большой объем данных в аппаратуру локального диагностирования горного давления является не рациональным в связи с большим объемом памяти, большим объемом вычислений и принятием решений исходя из локально собранных данных.
В настоящее время, прогнозированием динамических проявлений на горных предприятиях занимаются специальные службы («Служба предупреждения и прогноза горных ударов», «Службы горного давления», «Службы внезапных выбросов угля, породы, газа»). Прогнозы, выдаваемые этими службами, часто носят вероятностный характер и иногда являются ошибочными, поскольку неустойчивое состояние горного давления в выработке может длиться неделями, месяцами, затем может наступить устойчивое состояние, а затем практически мгновенно может наступить аварийное состояние [ CITATION ВТГ71 \l 1049 ] (обрушение, внезапный выброс, толчок и пр.), которое является опасным для жизни и здоровья людей и приносит огромный экономический ущерб.
В работе [ CITATION Сбо12 \l 1049 ] показано, что развитие крупномасштабных процессов на отрабатываемых рудных телах происходит инерционно и дискретно, с фазами нарастания и спада интенсивности (толчкообразно), в связи с чем они диктуют ритмы активизации сейсмических процессов и повышения уровней горного давления в соответствии с изменением пространственных границ отработки. Поэтому для задач прогноза и диагностики предлагается разрабатывать единый комплекс контролируемых параметров, собираемыми различными методами, но разбив его на подсистемы, решающим узлом, которого должен стать компьютер.
Таким образом, процессы геодинамического проявления горного давления в массивах горных пород, применяемые на горных предприятиях к настоящему времени недостаточно изучены. Прогностические критерии о вероятном проявлении горного давления являются не совершенными. Задача по усовершенствованию и созданию новых прогностических критериев является актуальной. Для решения поставленных задач необходимо разрабатывать программно-аппаратные системы контроля и диагностики НДС массива горных пород и методы прогнозирования геодинамических проявлений горного давления.