Различие в опасности горных ударов на рудниках и угольных шахтах

УДК 622.831.32

РАЗЛИЧИЕ В ОПАСНОСТИ ГОРНЫХ УДАРОВ
НА РУДНИКАХ И УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ*

Горный институтКНЦ РАН,
E-Mail: [email protected], г. Апатиты, Мурманская обл., Россия,

Обсуждаются вопросы оценки опасности горных ударов на угольных шахтах и рудниках, связанные с разницей горно-геологических и горно-технических условий отработки угольных и рудных месторождений. Поскольку рудные месторождения залегают в массивах прочных магматических или метаморфических пород, сильнейшие техногенные землетрясения на рудниках значительно мощнее, чем на шахтах. Основное различие в проявлениях удароопасности заключается в разнице естественного напряженного состояния массивов: на угольных месторождениях преобладает гравитационный тип напряженного состояния, на рудниках распространен гравитационно-тектонический тип напряженного состояния. В первом случае преимущественные напряжения в массивах действуют в вертикальном направлении, во втором – в горизонтальном, что обусловливает разницу в условиях проявления удароопасности на рудниках и угольных шахтах.

Угольные месторождения, рудники, удароопасность, естественное напряженное состояние, массив

DIFFERENCE in rockBURST hazard
IN metal and coal MINES

A. V. Lovchikov

Mining Institute, Kola Science Center, Russian Academy of Sciences,
E-mail: *****@***. ru, 24 Fersmana Str., Apatity, Murmansk Region 184209, Russia

In the Russian mining and engineering literature, in most cases, there is no difference in the assessment of the rockburst hazards in metal and coal mines. Nevertheless, it exists, in view of the difference in geological and geotechnical conditions of coal and ore deposits. Since ore deposits occur in the solid magmatic or metamorphic rock masses, the strongest induced earthquakes are much more powerful in ore mines than in coal mines. The main difference of rockburstinglies in the difference of natural stress state: gravity stress state in the coal fields and gravity-and-tectonic stress state in ore mines. The actual stresses are mostly vertical in the first case and horizontal in the second case, which conditions the difference in rockburst hazard in coal and ore mines.

Coalfields, mines, ore rockbursthazard, naturalstressstate, rockmass

В российской горно-технической литературе и нормативных документах существует некоторый консерватизм в оценке опасности горных ударов на рудных месторождениях, связанный с историей развития этого вопроса. Первые проявления горных ударов в России произошли в 40-х годах XX века на угольных шахтах. Благодаря, главным образом, ученым ВНИМИ (, и др.) эта проблема в определенной степени была решена, так как были разработаны правила безопасного ведения горных работ в условиях опасности по горным ударам на угольных месторождениях, вследствие чего опасность горных ударов на угольных шахтах была снижена.

Удароопасность на рудных месторождениях России возникла позднее – с 60-х годов XX века. Теоретические основы прогноза и предупреждения горных ударов, разработанные ранее для угольных месторождений, были затем механически перенесены на рудные месторождения, что неправомерно, так как горно-геологические условия рудных и угольных месторождений существенно различны. Некоторые из этих неправомерных правил до сих пор используются в нормативных документах Ростехнадзора РФ [1], о чем сказано ниже.

Рудные месторождения, размещенные в массивах магматического или метаморфического происхождения, обладают рудами и породами с высокими показателями деформационно-прочностных свойств. Угольные месторождения, размещенные в массивах осадочного происхождения, обладают показателями свойств пород существенно более низкими. Показатели прочностных свойств пород некоторых наиболее удароопасных рудных и угольных месторождений России приведены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Прочность пород на удароопасных рудных и угольных месторождениях России

Рудные месторождения	Угольные месторождения [2]
Месторождение	Порода	Плотность, т/м3	Прочность при сжатии, МПа	Порода	Плотность, т/м3	Прочность при сжатии, МПа
Ловозерскоередкометалльное	Фойяит Уртит Луяврит	2.65 2.75 2.6–2.96	160–243 247 187–332	Аргиллиты Алевролиты (из многих месторождений)	2.50–2.90	20–70
Хибинское апатитовое	Апатито-нефелиновые руды Ийолит-уртиты, рисчорриты	2.8–3.1 2.8–2.9	60–150 100–250	Крепчайший уголь (Кизеловский бассейн)	~1.3	30–50
Таштагольское железорудное	Магнетит (руда) Сиениты, скарны, порфириты	3.3–4.9 2.6–3.2	120–140 50–180
Северо-Уральское бокситовое	Бокситы (руда) Известняки (вмещающие породы)	2.7–3.2 2.6–2.7	32–220 45–155

Как видно из табл. 1, прочность пород на рудных месторождениях намного, практически на порядок, выше, чем на угольных. В работе [3] показано, что к наиболее прочным породным разновидностям приурочены наиболее высокие тектонические напряжения, то есть массивы наиболее прочных пород более энергонасыщены. Из этого следует, что энергия сильнейших проявлений сейсмичности на рудниках должна быть более высокой, чем на угольных шахтах, что подтверждается практикой. В табл. 2 приведены сведения о самых сильных горно-тектонических ударах (техногенных землетрясениях) на рудниках и шахтах России [4, 5, 6].

Как видно из табл. 2, действительно мощность (энергия), выраженная в магнитудах события, сильнейших техногенных землетрясений на рудных месторождениях на один-два порядка (в десятки–сотни раз) выше, чем на угольных, что подтверждает приведенный выше тезис о более высоком уровне энергонасыщенности массивов рудных месторождений. Если проанализировать работу [6], такой вывод не кажется очевидным. Дело в том, что в работе [6] допущено много неточностей с точки зрения геомеханики месторождений. Там во многих случаях не указано, по какой шкале магнитуд определялась магнитуда события. Кроме того, использовались сейсмологические каталоги, в которых магнитуда mb землетрясений определяется по телесейсмическим записям волны P [7] за сотни и тысячи километров от гипоцентров землетрясений. В геомеханике месторождений используется шкала локальных магнитуд ML (по Ч. Рихтеру), которую можно применять только на расстояниях до 600 км от гипоцентра [7]. Самые неточные значения по записям волны P дает глубина очага землетрясения. Поэтому в [6] указаны, в основном, неточные и более высокие значения магнитуд событий, чем, например, в работе [4], в которой значения магнитуд ML техногенных землетрясений на рудниках проверены по нескольким источникам. Как бы то ни было, приведенные примеры показывают, что энергия сейсмических событий в российских рудниках (то есть на глубине до 1 км от поверхности), в силу целого ряда причин, выше, чем в угольных шахтах.

ТАБЛИЦА 2. Некоторые сильнейшие горно-тектонические удары и техногенные землетрясения на рудниках и шахтах России

Рудные месторождения [4]	Угольные месторождения [5, 6]
№ п. п.	Время и место события	Магнитуда ML	№ п. п.	Время и место события	Магнитуда ML
1	17.08.1999 г. рудник «Умбозеро», Ловозерское редкометалльное месторождение, Кольский полуостров	5.1	1	28.08.1973 г. Шахта им. Ленина, Кизеловский бассейн, Урал	2.8±0.5
2	16.04.1989 г. Кировский рудник, Хибинское апатитовое месторождение, Кольский полуостров	4.3	2	16.07.2011 г. Печорский угольный бассейн	3.4

Однако наиболее существенным отличием горно-геологических условий угольных и рудных месторождений является различие в естественном напряженном состоянии их массивов. Для угольных месторождений, представленных массивами пород осадочного происхождения, характерен гравитационный тип напряженного состояния, в котором максимальные напряжения создаются за счет веса толщи покрывающих пород. Для рудных месторождений, сложенных массивами пород магматического, либо метаморфического происхождения, характерен гравитационно-тектонический тип напряженного состояния, при котором максимальные напряжения создаются горизонтальными тектоническими силами, обусловленными современными горообразовательными процессами. Действие напряжений вокруг некой горной выработки, расположенной на глубине H от поверхности, при гравитационном и гравитационно-тектоническом напряженном состоянии массива, поясняется схемой рис. 1а, б.

а                                б

Рис. 1. Схема действия сил в массиве при гравитационном (а) и гравитационно-тектоническом (б) состоянии

Максимальные напряжения на уровне кровли выработки при гравитационном напряженном состоянии массива (рис. 1а) определяются весом толщи налегающих пород:

       ,        (1)

где ? – плотность налегающих пород, т/м3; H – глубина кровли выработки до поверхности, м.

При гравитационно-тектоническом состоянии массива максимальные напряжения создаются за счет тектонической составляющей напряжений T (рис. 1б), имеющей горизонтальное направление и, как показывает практика, значительно превосходящих величину P на соответствующей глубине от поверхности. Величину тектонических напряжений T можно определить только посредством экспериментальных измерений в массивах горных пород. Как правило, максимальная горизонтальная составляющая напряжений в массивах пород при гравитационно-тектоническом состоянии в 5–10 и более раз больше вертикальной составляющей, обусловленной весом толщи налегающих пород. Вследствие этого, именно тектоническими напряжениями обусловлена, в большинстве случаев, удароопасность пород на рудных месторождениях. В частности, в массивах наиболее удароопасных рудных месторождений России установлено гравитационно-тектоническое напряженное состояние со следующими параметрами составляющих напряжений [8], табл. 3.

ТАБЛИЦА 3. Характеристика естественного напряженного состояния массивов наиболее удароопасных рудных месторождений России [8]

Месторождение (рудник)	Максимальные горизонтальные напряжения сжатия в массиве, МПа	Отношение вертикальной и максимальной горизонтальной компонент напряжений в массиве
Хибинское (Кировский)	20 ? 80	1 : 3 ? 20
Ловозерское	40 ? 70	1 : 5 ? 10
Северо-Уральские бокситовые рудники	25 ? 50	1 : 2 ? 2.5
Таштагольское	60 ? 90	1 : 2 ? 5

Как видно из данных табл. 3, в массивах наиболее удароопасных рудных месторождений России действуют резко-неравномерные по направлениям в пространстве гравитационно-тектонические поля напряжений, в которых вертикальная компонента главных напряжений является наименьшей по абсолютной величине. Если принять во внимание, что на перечисленных в табл. 3 месторождениях прочность пород на сжатие обычно имеет значение ?с = (50?200) МПа, во многих случаях близка к 100 МПа, а также минимальное значение коэффициента концентрации тектонических напряжений в кровле и почве горных выработок k = 2?3, то очевидно, что вблизи контура выработок этих месторождений выполняется условие реализации динамических проявлений горного давления в форме горного удара [8]:

       ?д? 0.8?с,        (2)

где ?д – максимальные действующие напряжения вблизи контура выработок; ?с – прочность пород при сжатии.

Таким образом очевидно, что тектонические поля напряжений, действующие в массивах на рассматриваемых месторождениях, являются главной причиной горных и горно-тектонических ударов. Тектонические силы создают такой уровень напряжений вокруг выработок, который при чисто гравитационном напряженном состоянии массива был бы достигнут на глубине
2–3 км от поверхности.

Итак, основным отличием в условиях естественного напряженного состояния массивов угольных и рудных месторождений является то обстоятельство, что максимальные напряжения в массивах на угольных месторождениях действуют по вертикали (рис. см. 1а), а на рудных месторождениях – по горизонтали (см. рис. 1б). Из этого обстоятельства следует много последствий. Прежде всего, на рудных месторождениях не существует понятия критической глубины по условию удароопасности. Критической глубиной считается такая глубина выработки, при которой напряжения вблизи ее контура составляют

       ,        (3)

где ?кр – напряжения, вызывающие динамические проявления горного давления.

При гравитационном напряженном состоянии массива критические напряжения нетрудно рассчитать:

       .        (4)

При гравитационно-тектоническом напряженном состоянии массива не существует критической глубины, так как уровень критических напряжений определяется не глубиной, а величиной тектонических сил. Тектонические силы в горизонтальной плоскости действуют строго по определенному направлению и, в определенной степени, не зависят от глубины. Критические напряжения вблизи контура выработки зависят не от глубины, а от направления выработки относительно направления тектонических сил. Для иллюстрации на рис. 2 показано расположение эпицентров сильных сейсмических событий (ML > 1) на плане горных работ (с горизонталями дневной поверхности) западного фланга рудника «Карнасурт» на Ловозерскомредкометалльном месторождении. Как видно из рис. 2, техногенные землетрясения происходят на глубинах от 50 до 600 м от поверхности, то есть вне зависимости от глубины. Описание некоторых таких землетрясений на руднике «Карнасурт» дано в работе [9].

Рис. 2. Фрагмент плана горных работ западного фланга рудника «Карнасурт» с горизонталями поверхности и местоположениями эпицентров техногенных землетрясений

В условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений в массиве, существующего на рудных месторождениях, не работают такие понятия, как «зона опорного давления», «зона разгрузки», «защитное рудное тело или его часть (слой)» и ряд связанных с ними положений, заимствованных из практики отработки угольных месторождений. Указанные понятия сформулированы из условия действия в массиве вертикальных гравитационных сил, обусловливающих удароопасность пород в горных выработках угольных месторождений, и механически перенесены в правила [1].

Напряженное состояние пород при отработке защитных рудных тел в условиях гравитационно-тектонического поля напряжений в массиве рассмотрено в работе [10]. Установлено, что при действии преимущественных горизонтальных напряжений отработка «защитных залежей» не только не снижает удароопасность пород в отрабатываемой залежи, а наоборот, повышает эту опасность и создает предпосылки для возникновения в междупластье очагов сильнейших геодинамических событий – горно-тектонических ударов. В то же время все указанные выше понятия остаются эффективными при отработке угольных месторождений, в условиях естественного гравитационного состояния массива. В различии действия по направлению в пространстве преимущественных напряжений в массивах состоит основная разница в проявлениях удароопасности пород в горных выработках рудных и угольных месторождений.

ВЫВОДЫ

1. Сильнейшие техногенные землетрясения в рудниках гораздо мощнее, чем на угольных шахтах, ввиду большей прочности пород в массивах рудников, имеющих магматическое происхождение, чем прочность пород в массивах шахт, имеющих осадочное происхождение.

2. В массивах угольных шахт распространен гравитационный тип естественного напряженного состояния, при котором максимальные напряжения, складывающиеся за счет веса покрывающих пород, имеют вертикальное направление. В массивах рудников распространен гравитационно-тектонический тип естественного напряженного состоянияпород, в котором преимущественные напряжения создаются за счет тектонических сил и имеют горизонтальное направление. В этом заключается основное различие в создании удароопасных ситуаций на рудниках и в шахтах.

3. Некоторые определения, механически перенесенные из практики отработки удароопасных угольных месторождений в инструктивные документы на отработку рудных месторождений, должны быть из них удалены.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ/ REFERENCES

       1.        Federal Rules and Regulations on Industrial Safety: Safe Mining at Rockburst-Hazardous Deposits. Approved by Order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision as of December 2, 2013, No. 576).[Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 2 декабря 2013 г., № 000).]

       2.        Handbook (Cadastre) on Physical Properties of  Rocks. Moscow: Nedra, 1975. (in Russian) [Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. – М.: Недра, 1975. – 279 с.]

       3.        Markov G. A., Savchenko S. N. Stress State and Rock Pressure in Structures of Mountainous Relief. Leningrad: Nauka, 1984. (in Russian) [, Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа. – Л.: Наука, 1984. – 140 с.]

       4.        Lovchikov A. V. Strongest Earthquakes and Tectonic Rock Burstsin Mines in Russia. Palmarium  Academic Publishing, Saarbrucken, Germany, 2016. [ Сильнейшие землетрясения и горно-тектонические удары в рудниках России. Palmarium Academic Publishing, Saarbrucken, Германия, 2016. – 141 с.]

       5.        Lomakin V. S., Khalevin N. I. Tectonic rock bursts in the actual seismicity of the Urals, Geodynamic safety in Development of Subsoil and the Earth’sSurface. Apatity: KNTsRAN, 2002. (in Russian) [, Горно-тектонические удары в реальной сейсмичности Урала / Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. – Апатиты: Изд. КНЦРАН, 2002. – С. 79–89.]

       6.        Adushkin V. V.Tectonic earthquakes of anthropogenic origin, Phys Solid Earth, vol. 2016, no. 2, p. 173. [Тектонические землетрясения техногенного происхождения // Физика Земли. – 2016. – №2. – С. 22–44.]

       7.        Methods for estimating seismic impacts (gudielines), VoprInzhSeismol, 1993, issue 34, pp. 5–94. [Методы оценки сейсмических воздействий (пособие) // Вопр. инж. сейсмологии. – М.: Недра, 1993. – Вып. 34. – С. 5–94.]

       8.        Lovchikov A. V. Mine tectonic shocks in Russia: Statistics and analysis, J Min Sci, 1997, vol. 33, no. 2, pp. 120–128. [ Горно-тектонические удары на российских рудниках: статистика и некоторые закономерности // ФТПРПИ. – 1997. – №2. – С. 22–32.]

       9.        Lovchikov A. V., Rakhimov R. G.  Near-surface earthquakes at Karnasurt Mine, GIAB, 2004, no. 6, pp. 88–93. [, Землетрясения вблизи поверхности на руднике «Карнасурт» // ГИАБ. – 2004. – № 6. – С. 88–93.]

       10.        Lovchikov A. V., Savchenko S. N. Protective deposits in the field of tectonic forces, J Fundament Appl Min Sci, 2015, vol. 2, pp. 128–132. (in Russian) [, Защитные залежи в поле тектонических сил // Фундам. и прикл. вопросы горных наук. – 2015. – № 2. – С. 128–132.]

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук;

184209, Мурманская обл., 4

[phone],

*****@***. ru

*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 15-05-04323а