Новая концепция механизма горно-тектонических ударов и других динамических явлений для условий рудных месторождений

Горно-тектонический удар – это мгновенное разрушение массива большой мощности по тектоническому нарушению или по вновь образовавшейся под влиянием горных работ трещине, вызывающее разрушение целиков и выработок, как правило, на больших площадях. Новая концепция заключается в том, что мгновенное разрушение пород при ударе происходит из-за концентрации вокруг горных выработок гравитационно-тектонических напряжений, существующих в земной коре, вследствие современных горообразовательных процессов. Под влиянием масштабных горных работ структурно-блоковая среда горных массивов из-за концентрации гравитационно-тектонических напряжений резко переходит в новое положение геодинамического равновесия в форме горных, горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.

Теория вопроса

В основе концепции лежит различие в условиях естественного напряженного состояния массивов рудных и нерудных (осадочного происхождения) месторождений полезных ископаемых. В массивах рудных месторождений магматического или метаморфического происхождения имеет место гравитационно-тектоническое напряженное состояние пород, при котором вследствие современных горообразовательных процессов, происходящих в земной коре, преобладающими по величине являются горизонтальные напряжения, а вертикальные гравитационные напряжения, обусловленные силами веса толщ покрывающих пород, имеют второстепенное значение. В массивах месторождений осадочного происхождения (угольных, солевых) в силу относительно слабых деформационно-прочностных свойств пород и длительных реологических процессов имеет место гравитационное напряженное состояние пород, в котором определяющее значение имеет вертикальная гравитационная составляющая напряжений, обусловленная силами веса толщи налегающих пород.

Между тем в современной российской горно-технической литературе закрепилось и господствует представление о том, что горные и горно-тектонические удары в рудниках вызываются гравитационными силами веса толщ покрывающих пород над подземными горными выработками. Теоретическое обоснование этих представлений приведено в работах С. Г. Авершина [1], И.М. Петухова с соавторами [2, 3] и др. Положения о гравитационной природе сил, вызывающих горные удары в рудниках, заложены в современных инструктивных документах Ростехнадзора [4], лимитирующих правила ведения горных работ на удароопасных рудных месторождениях. В инструкции [4] нет даже упоминания о тектонических напряжениях, существующих в массивах. Вследствие этого некоторые положения инструкции [4] являются ошибочными и недостоверными.

2020;5(1):30-38

МИСиС

Другой основой концепции является представление о горных массивах как геологической среде иерархически-блочного строения, основы которого заложены академиком М. А. Садовским. В соответствии с этими представлениями горные массивы представляют собой иерархию геолого-структурных блоков, как бы вложенных друг в друга и разделенных междублоковыми промежутками – разрывными нарушениями и трещинами различного структурного уровня. Существует множество классификаций структурной нару-шенности горных массивов, но, по нашему мнению, наиболее удачной для скальных массивов является классификация структурных нарушений массивов, принятая для оснований гидротехнических сооружений [5]. Указанная классификация наиболее правомерна для массивов рудных месторождений по крайней мере по двум причинам:

• а)    основания гидротехнических сооружений по масштабам протяженности в горизонтальной и вертикальной плоскостях (сотни метров, первые километры) сходны с размерами шахтных полей рудников, которые имеют аналогичные размеры и, следовательно, схожи по размерам с пересекаемыми структурными неоднородностями (трещинами, тектоническими нарушениями, разломами);

• б)    классификация разработана для массивов скальных, т. е. весьма прочных, пород магматического или метаморфического происхождения.

Поскольку разрывным структурам различного масштаба должны соответствовать блоковые структуры соответствующего масштаба, нами предложена следующая классификация блоковых структур для шахтных полей рудников, основанная на приведенной выше классификации структурных нарушений в гидротехническом строительстве (табл. 1) [6].

Динамические проявления горного давления в горных выработках (горные, горнотектонические удары и другие проявления) можно рассматривать как ответную реакцию геологической среды на техногенное вмешательство. Эта реакция зависит от многих факторов, и прежде всего от масштабов техногенного воздействия, структурно-блоковой неоднородности массивов, свойств пород, естественного напряженного состояния массивов и других факторов. Зависимость форм проявлений горного давления от размеров горных выработок при гравитационно-тектоническом напряженном состоянии массивов приведена на рис. 1.

Таблица 1

Классификация блоковых структур, образуемых разрывными нарушениями

Classification of block structures formed by faults

Наименование блоковой структуры	Ранг (порядок) нарушений, ограничивающих блок, и блоковых структур	Протяженность нарушений, ограничивающих блок	Средний поперечный размер блока
Тектонический блок	I	Сотни и тысячи километров	500 – 1000 км
Региональный    геолого структурный блок	II III	Десятки и сотни километров Единицы и первые десятки километров	50 – 100 км 5 – 10 км
Локальный геолого-структурный блок	IV V	Сотни и первые тысячи метров > 10 м	500 – 1000 м 50 – 100 м
Трещинно-блоковая    от дельность	VI VII – VIII	1 – 10 м < 1 м	5 м < 1 м

2020;5(1):30-38

МИСиС

Скважина шелушение, выкалывание стенок, дискование керна

Одиночная подготовительная вы работка

заколообразование, стреляние, горные удары, редко - горно-тектонические удары горные, горнотектонические удары заколообразование в кровле и почве, стреляние, редко - горные удары

Рис. 1. Схема развития форм динамических проявлений горного давления с ростом масштабов горных работ при гравитационно-тектоническом напряженном состоянии массивов

Fig. 1. Model of development of rock pressure dynamic manifestation forms with increasing scale of mining operations in conditions of gravitational-tectonic stress state of rock masses

Таблица 2

Формы экстремальных динамических проявлений горного давления, соответствующие масштабам активизированных горными работами геологических структур

Forms of extreme dynamic manifestations of rock pressure corresponding to the scale of geological structures activated by mining

Ранг (порядок) геологической структуры	Масштаб горных работ (выработок), активизирующих структуру	Характерный размер выработок, м	Форма динамических проявлений горного давления
VII – VIII	Шпур, скважина	10 0 – 10 1	Шелушение, выкалывание стенок, дискование керна
VI	Одиночная выработка, сдвоенная выработка	10 2 – 10 3	Стреляние, заколообразование, горный удар
V – IV	Комплексы подготовительных и очистных выработок	10 4 – 10 6	Горный, горно-тектонический удар, техногенное землетрясение

Классификация (см. табл. 1) позволяет ориентироваться в принадлежности по масштабу (рангу, порядку) структурно-блоковой неоднородности горных массивов в соответствии с размерами блоков и ограничивающих их тектонических нарушений. В соответствии с классификацией (см. табл. 1) можно ориентировочно оценивать ранг геологических структур, активизированных горными работами соответствующего размера, вызывающих те или иные формы динамических проявлений горного давления (табл. 2).

Таким образом, предложенная классификация структурно-блоковой неоднородно- сти массивов позволяет проводить ранжирование блоков наиболее распространенных размеров для рудников. Она помогает практически реализовать концепцию М.А. Садовского о модели иерархически-блочной геологической среды применительно к проблемам эксплуатации рудников.

Анализ материалов. Развитие теории

Любые динамические проявления горного давления – это подвижки геологической среды в новое положение геодинамического равновесия под влиянием горных выработок и существующих в этой среде напряжений. Величина подвижки зависит от размеров горных

2020;5(1):30-38

МИСиС

выработок в массиве, напряженного состояния пород, размеров геолого-структурной (блоковой) неоднородности массивов и других факторов. В прошлом, XX веке, обращали мало внимания на аналогию горных ударов и сейсмических явлений в земной коре, поскольку горные удары в рудниках и шахтах России имели относительно невысокий энергетический уровень [7]. И только в конце прошлого века - начале нынешнего столетия, когда в рудниках России, ЮАР, Польши и других стран стали проявляться сильные горнотектонические удары с выделенной сейсмической энергией порядка Е = 10¹⁰ Дж, аналогия этих явлений с землетрясениями была установлена [8, 9, 10].

Для характеристики энергии землетрясений в сейсмологии и шахтной сейсмичности используется понятие сейсмического момента в очаге [9]:

M о = GS 8 ,               (1)

где M о - сейсмический момент, Н - м; G - модуль сдвига пород массива, МПа; S - площадь разрыва, м²; 8 - величина подвижки в очаге, м. При описании горных ударов в рудниках с относительно невысоким энергетическим уровнем событий такие параметры событий, как площадь разрыва S и величина подвижки 8 , ранее не определялись. И только когда энергия горно-тектонических ударов в рудниках приблизилась к энергии естественных землетрясений, эти параметры по аналогии с землетрясениями стали измеряться. В табл. 3 приведены указанные параметры для некоторых сильнейших горно-тектонических ударов в рудниках России [11]. На рис. 2 приведены геометрические схемы механизма этих ударов.

Других примеров в отечественной горно-технической литературе не найдено, поскольку при обследовании последствий событий в рудниках эти параметры не измерялись.

Учитывая закон самоподобия сейсмических процессов на разных масштабных уровнях, установленный М.А. Садовским с соавторами [12], динамические проявления горного давления в рудниках можно рассматривать как сейсмические события в массиве пород. Экстраполируя данные табл. 3, можно охарактеризовать эти события следующими параметрами (табл. 4).

Приведенные в табл. 4 данные получены на основе закона самоподобия сейсмических процессов на различных масштабных уровнях. В частности, известно [13], что при больших землетрясениях с магнитудой 7 - 8 протя- женность разрывов достигает десятков - сотен километров, а смещения по разрывам исчисляются метрами. Поэтому параметры динамических проявлений горного давления в выработках рудников, энергетический уровень кото- рых на несколько порядков меньше, чем у крупных землетрясений, выглядят вполне правдоподобно.

Зная характеристики очага динамических явлений в рудниках (см. табл. 4), можно по формуле (1) оценить энергетические характеристики этих явлений. Модуль сдвига пород G в горно-технических характеристиках обычно не измеряется. Поэтому определим его величину из известного установленного в геофизике [14] соотношения:

G =

E

² (1 + V) ’

где E - модуль упругости пород, МПа; v - коэффициент Пуассона для пород.

Таблица 3

Параметры некоторых сильнейших горно-тектонических ударов (ГТУ) в рудниках

Parameters of some of the most severe rock-tectonic bursts (RTB) in mines

Рудник, месторождение	Дата ГТУ	Параметры события		Очаговые параметры
		Магнитуда, M L	Энергетический класс, k	Площадь подвижки, S , м 2	Величина подвижки, см
Кировский (Хибинское апатитовое)	16.04.1989	4,3	10,5	220 000	2 - 9
«Умбозеро» (Лово-зерское редкоме-талльное)	17.08.1999	5,0	11,8	~500 м х 500 м = = 250 000	16

а

б

Рис. 2. Схемы механизма горно-тектонических ударов на Кировском руднике ( а ) и руднике «Умбозеро» ( б )

Fig. 2. Schemes of the mechanism of rock-tectonic bursts at the Kirov mine ( a ) and the Umbozero mine ( b )

Таблица 4

Параметры динамических проявлений горного давления в рудниках

Parameters of dynamic manifestations of rock pressure at mines

Вид проявления	Энергетические параметры		Очаговые параметры
	Энергия, Дж	Энергетический класс, k	Характерная величина площади подвижки, м 2	Ориентировочная величина подвижки, см
Горно-тектонический удар, техногенное землетрясение	10 9 – 10 12	9 – 12	100 000	10
Горный удар, стреляние пород	10 5 – 10 8	5 – 8	100	1.0
Разрушение стенок скважин	10 0 – 10 1	1 – 2	0,1	0,1

Таблица 5

Оценка величины сейсмического момента в очаге динамических проявлений горного давления

Estimation of the magnitude of seismic moment in the focus of rock pressure dynamic manifestations

Форма динамических явлений	Площадь разрыва, м 2	Величина подвижки, м	Модуль сдвига пород, т/м 2	Сейсмический момент, т ⋅ м
Горно-тектонический удар	100 000	0,1	2 400 000	2,4 ⋅ 10 9
Горный удар, стреляние	100	0,01	2 400 000	2,4 ⋅ 10 6
Разрушение стенок скважин, дискование керна	0,1	0,001	2 400 000	2,4 ⋅ 10 2

2020;5(1):30-38

МИСиС

Подсчитаем, в частности, модуль сдвига для пород Ловозерского редкометалльного месторождения (породы - нефелиновые сиениты: луявриты, уртиты, фойяиты): E = 6 • 10 4 МПа; v = 0,25. Модуль сдвига, вычисленный по формуле (1), составит

60 000 МПа 6000000 т/м2

G = = = 2,4 • 106 т/м' 2,5 2,5 ^,

Теперь, когда определены все параметры, входящие в формулу (1), по величине сейсмического момента в очаге можно оценить энергию динамических проявлений горного давления в горных выработках. Результаты таких оценок приведены в табл. 5.

В табл. 5 расчеты сделаны при модуле сдвига пород G = 2,4 • 10⁶ т/м², значение которого характерно для скальных пород, в частности для пород Ловозерского месторождения. Полученные величины сейсмического момента для различных форм динамических проявлений горного давления соответствуют фактически наблюдаемым в рудниках, в частности энергетическим характеристикам горных и горно-тектонических ударов [7] и оценкам этих явлений другими авторами [15, 16].

Приведенные данные позволяют подтвердить закон самоподобия сейсмического процесса на разных масштабных уровнях, установленный М.А. Садовским с соавторами. Динамические проявления горного давления в рудниках (горные и горно-тектонические

удары, стреляние пород и др.) представляют собой форму самоорганизации геологической среды под влиянием горных работ. Приведенные данные позволяют подтвердить тот факт, что форма и энергия динамических явлений в рудниках зависят от многих факторов, прежде всего от масштабов техногенного воздействия на массивы, их напряженного состояния, структурно-блокового строения, свойств пород и др.

Заключение

• 1.    Приведена рациональная классификация структурно-блоковой неоднородности скальных массивов, наиболее приемлемая для условий рудников, основанная на классификации разрывных структур в скальных массивах, принятых в гидротехническом строительстве.

• 2.    Показана зависимость форм проявлений горного давления в горных выработках от размеров техногенного вмешательства в горный массив и размера (порядка) структурной неоднородности массива, активизированной горными работами.

• 3.    На основе закона самоподобия сейсмического процесса в массивах на различных масштабных уровнях выполнена оценка энергетических параметров различных проявлений горного давления. В результате оценки показано, что полученные энергетические показатели проявлений горного давления соответствуют фактическим данным о горных ударах в рудниках.

2020;5(1):30-38

МИСиС^