Для подземной разработки рудных месторождений в последние тридцать пять - сорок лет характерны высокие темпы углубления горных работ, продиктованные быстрым исчерпанием запасов полезных ископаемых, расположенных вблизи земной поверхности, а также увеличением спроса на ряд металлов, особенно имеющих стратегическое значение. Уже сегодня в ряде зарубежных стран с высокоразвитой горнодобывающей промышленностью (Канаде, ЮАР, Индии, США и др.) добычу наиболее ценных руд ведут на глубинах, превышающих 3-4 км. Так на руднике Tau Tona Mine в ЮАР горные работы ведутся на глубине 4,5 км. Некоторые отечественные горнорудные шахты, например, шахты СУБРа, Норильска, Таштагола и другие, также работают на глубинах 700–1000 м и более. Наиболее сложной и важной проблемой при разработке глубокозалегающих месторождений является борьба с возрастанием напряжений в горном массиве, вызываемым увеличением давления вышележащей толщи пород. В определенный момент эти напряжения могут превысить прочность пород, которые начнут разрушаться с выделением значительной энергии. Происходит динамическое проявление горного давления в виде так называемого горного удара, что отрицательно сказывается на разработке полезных ископаемых подземным способом.

Что такое горный удар и откуда его ждать

Горный удар – это интенсивное разрушение массива руды или породы, сопровождающееся выбросом в выработанное пространство разрушенной горной массы с образованием ударной воздушной волны и проявлением сейсмического эффекта в результате мгновенного преобразования потенциальной энергии, накопленной в массиве, в кинетическую.

В горных породах, имеющих склонность к аккумулированию упругой энергии, в момент превышения предела прочности происходит мгновенное высвобождение накопленной энергии, сопровождаемое перемещением породных масс или трещинообразованием.

Горные удары характеризуются внезапностью, неопределенностью места проявления и большой динамической силой, приводящей к значительным разрушениям горных выработок, крупным авариям на рудниках и шахтах, выходу из строя оборудования и человеческим жертвам.

При ведении горных работ подземным способом на удароопасных месторождениях одной из важнейших проблем является создание безопасных условий труда при одновременном повышении его интенсивности.

В связи с этим в последние годы в России и за рубежом проводятся активные работы, направленные на прогнозирование и предотвращение горных ударов, создание методов контроля и управления горным давлением.

Отечественная статистика показывает, что около 50 рудных месторождений России имеют склонность к горным ударам и опасность их возникновения. К ним относят Абаканское, Казское, Шерегешское, Берикульское и др. месторождения, где горные удары ожидают на глубине 600 м, у других (Гайское, Дарасунское, Садонское, Тырныаузское и др.) на глубине 700–800 м.

Но на ряде таких месторождений, как Вишневогорское, Северо-Уральское бокситовое, Естюнинское, Вылиговское и др., горные удары наблюдали на глубинах, не превышающих 300 м, что указывает на то, что удароопасность месторождения зависит не только от глубины разработки, но и от других факторов.

Основные причины возникновения горных ударов классифицируют на естественные или природные и технологические.

К естественным причинам относят:

• высокое естественное поле напряжений, обусловленное тектоническими силами;
• наличие концентрации напряжений вблизи разрывных нарушений;
• наличие высокомодульных горных пород, способных накапливать потенциальную энергию сжатия и склонных к хрупкому разрушению.

К технологическим причинам, то есть возникающим в результате горных работ, относят:

• образование зон влияния горных работ, в которых обычно меняются величина и ориентировка главных напряжений относительно значений вне зоны влияния горных работ на прилегающий горный массив;
• образование открытых очистных пространств (очистные камеры, выработки различного назначения), которые являются дополнительными концентраторами напряжений;
• образование краевых частей целиков, оконтуренных несколькими плоскостями;
• задержка во времени процесса сдвижения горных пород до поверхности под влиянием очистных работ.

Исходя из этого, перед проектированием подземной разработки рудных месторождений независимо от глубины ведения горных работ обязательно необходимо – в качестве исходных данных – иметь результаты проведения работ по выявлению склонности пород и руд к горным ударам.

При наличии таких опасностей проектирование и ведение горных работ производятся с учетом данных факторов. Этого требует и нормативная документация: пункт 63 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых», пункт 4 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам».

Причем в пункте 5 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» указано, что «Заключение об отнесении месторождения, массива горных пород к склонным по горным ударам дает специализированная организация, выполняющая работы по проблеме горных ударов на месторождении».

Проектировщики часто задают вопрос: «Какую организацию можно отнести к специализированной?» На этот вопрос есть разъяснение Ростехнадзора (письмо от 11 сентября 2014 года № 07-05-01/1005): «Специализированной считается организация, имеющая в штате специалистов с опытом решения задач в области проявления горного давления (горных ударов), соответствующую лабораторную и экспериментальную базу по определению склонности пород к горным ударам, газо- и геодинамическим явлениям, методики расчетов и построения геодинамических моделей месторождения с прогнозированием условий в процессе ведения горных работ».

В результате исследований, посвященных динамическим проявлениям горного давления, было установлено, что большая часть горных ударов приурочена к тектоническим нарушениям. Это совершенно логично, так как тектонические нарушения представляют собой как раз то слабое место, куда могут релаксироваться напряжения, возникающие в массиве. Если тектонические нарушения заполнены податливым материалом с низкими прочностными свойствами, то релаксация будет происходить постепенно, насколько позволят деформационные свойства заполнителя, а если заполнитель имеет высокие прочностные свойства, но ниже чем окружающий массив, то напряжения релаксируется в виде динамического проявления в сторону нарушения.

Все это необходимо учитывать перед проектированием подземных горных работ.

Горная выработка по сути дела работает так же, как тектоническое нарушение, и очень важно, какой у этого нарушения заполнитель. То есть будет ли устойчив контур выработки.

Надо заметить, что у любого контура массива, находящегося в напряженном состоянии, распределение напряжений происходит следующим образом: непосредственно у контура наблюдается так называемая зона разгрузки, где напряжения за счет разгрузки в сторону контура имеют значения ниже, чем значения напряжений в нетронутом массиве. Далее наблюдается зона опорного давления, где за счет перераспределения напряжений выше, чем значения напряжений в нетронутом массиве. Далее следует зона со значениями напряжений, равными их значениям в нетронутом массиве. Поэтому, чем меньше зона разгрузки, тем ближе к контуру выработки будет зона опорного давления. То есть на контур выработки будут выходить самые максимальные напряжения. Вот этого при проектировании необходимо избегать.

Увеличивать зону разгрузки можно только за счет создания условий для развития деформаций на контуре выработки, то есть как бы за счет увеличения податливости заполнителя в тектоническом нарушении, если рассматривать нарушение как аналогию выработке.

Здесь проектировщику нужно пройти между Сциллой и Харибдой. С одной стороны, он должен сохранить необходимое для работ сечение выработки, с другой – сделать контур выработки податливым с точки зрения способности его к деформации.

Опыт Таштагола

Интересен опыт поиска таких решений методом проб и ошибок на Таштагольском руднике. После нескольких разрушений выработок было принято направление на применение монолитной бетонной крепи, и это решение не помогло: крепь разрушалась с еще большей динамикой. Применение железобетонной крепи также оказалось непродуктивным, крепь продолжала разрушаться. Тогда попробовали использовать комбинированную крепь: во временную крепь из податливых трехзвенных арок из спецпрофиля (СВП 27) вписали монолитную бетонную крепь. Но и эта конструкция рушилась, а ее восстановление усложнялось тем, что приходилось убирать груз вперемешку с бетоном и металлическими арками. Тогда была выбрана конструкция крепи из монолитного бетона с податливыми элементами из деревянных брусьев, установленных в замке и в пяте свода выработки. Но податливые элементы из деревянного бруса толщиной 100 мм превращались в процессе эксплуатации практически в щепки, и крепь в конечном итоге разрушалась.

Испробовав все вышеперечисленные варианты, специалисты пришли к выводу, что сдерживать горное давление бесполезно, и крепь в этих условиях должна быть не несущей, а поддерживающей – для сохранения необходимого сечения выработки. Была разработана принципиально новая конструкция с каркасом из монолитного бетона. Закрепное пространство на величину возможных деформаций контура выработки заполнялось податливым материалом – пенобетонным заполнителем, пенобетонными блоками, деревянной клеткой и др. Последующая эксплуатация показала, что такая конструкция крепи может работать.

Параметры и конструкция крепи

Для того, чтобы правильно определиться с параметрами и конструкцией крепи выработок, проектировщику необходимо знать объективную характеристику напряженно-деформированного состояния массива вне зоны влияния и в зоне влияния очистных работ на проектируемом участке, а именно:

• величины вертикальных и горизонтальных напряжений,
• коэффициент концентрации напряжений,
• направление вектора действия главных напряжений,
• упругие и полные относительные деформации горных пород на контуре выработок.

Эти показатели являются исходными данными для проектирования горных работ в удароопасных массивах, и представление их в результатах инженерно-геологических изысканий установлено нормативной документацией (п. 5.2 СП 91.13330.2012 «Подземные горные выработки»).

При проектировании в расчетах параметров крепей по методике, изложенной в СП 91.13330.2012, зачастую не обращают внимания на коэффициент, учитывающий отличие фактического напряженного состояния массива горных пород от среднего расчетного. Он принимается равным единице, а ведь это практически коэффициент концентрации напряжений в массиве, и именно он определяет значения смещений на контуре поперечного сечения выработки за весь срок ее эксплуатации без крепи, а также на коэффициент воздействия других выработок, который определяет воздействие напряжений, концентрирующихся на сопряжениях выработок, что также отражено в нормативных требованиях (приложение Е СП 91.13330.2012). Это приводит к ошибочному выбору параметров крепи и может в конечном итоге стать причиной возникновения аварийной ситуации. Поэтому к данному расчету следует подходить очень ответственно.

Направление вектора главных напряжений позволяет проектировщику выбрать наиболее безопасную ориентацию выработок в удароопасном массиве согласно нормативным требованиям п. 36 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам».

Нельзя располагать выработки бортом поперек действия главных напряжений.

Нельзя обходить вниманием требования нормативной документации по выбору формы сечения выработок и их расположения относительно зоны опорного давления от очистных работ, которые изложены в п. 38 данного Положения.

Отвести удар

Исследования показали, что правильная геометрическая форма выработок наиболее устойчива и способствует накоплению на контуре выработки высоких напряжений вследствие перераспределения первоначальных напряжений. Поэтому в удароопасных массивах рекомендуется применять полигональную форму сечений выработок в соответствии с инструкцией, изложенной в приложении 12 данного Положения. Данная форма позволяет искусственно создать в направлении действия максимальных напряжений ослабленные места, в которых происходит деформация контура выработки и, соответственно, релаксация напряжений.

Вследствие гравитационных и тектонических напряжений, действующих в породах, в них накапливается упругая энергия, которая концентрируется вокруг выработок, увеличиваясь в их призабойной части. Поэтому горные удары, а также менее бурные динамические явления (такие, например, как стреляние пород) чаще происходят непосредственно в забое выработки. Исходя из этого, при проектировании серьезное внимание следует уделять выбору временной крепи и расчету величины отставания ее от груди забоя.

Конечно, наиболее ответственным решением при проектировании разработки удароопасных месторождений является выбор систем разработки, их параметров и порядка отработки рудных тел, залежей и месторождения в целом.

Что касается систем разработки удароопасных месторождений, то мировая практика показывает: здесь отработка запасов осуществляется в основном системами с обрушением вмещающих пород и системами с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. При применении систем с закладкой наиболее безопасен сплошной порядок отработки рудных тел, залежей, панелей и др., то есть без оставления целиков. Дело в том, что в целиках, к которым выработанное пространство примыкает с двух или более сторон, концентрация энергии достигает особенно больших значений. Это происходит потому, что в этом случае зоны опорного давления от контуров целика накладываются друг на друга, и, когда напряжения превышают прочность материала целика, последний разрушается с реализацией значительного количества энергии. При этом не важно, будет ли этот целик из породы, руды или из искусственного материала. По статистике Горнорудного управления США, случаи внезапных обрушений горизонтальных целиков составляют 60% от числа горных ударов /1/.

В разделе II Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» подробно изложены требования к проектированию вскрытия, подготовки и выбору систем разработки на месторождениях склонных и опасных по горным ударам, поэтому перечислять их не имеет смысла, но о некоторых нюансах все же стоит упомянуть.

Так, далеко не всегда удается при проектировании четко соблюсти требования заказчика и нормативной документации. Применение, например, систем с закладкой выработанного пространства заметно снижает интенсивность отработки месторождения и повышает ее стоимость, что становится барьером при отработке малоценных руд, месторождений со сравнительно небольшими запасами и т. д. В этом случае проектировщик должен искать наиболее оптимальные и в то же время безопасные проектные решения. Здесь нужно опираться на следующее: с учетом того, что до настоящего времени не создано единой теории возникновения горных ударов, должно закладываться в проектную документацию научное сопровождение проекта. Уже на стадии строительства шахты должны вестись систематические наблюдения за изменением напряженного состояния массива как в непосредственной близости от очистных и подготовительных выработок, так и в целом на отрабатываемых горизонтах.

Для проведения и контроля таких работ должны быть созданы специальные службы, работающие под научно-методическим руководством специализированной организации, выполняющей работы по проблеме горных ударов на месторождении, что обязательно следует предусматривать при проектировании, – на это указывает и пункт 8 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам».

Такие систематические наблюдения позволяют своевременно обнаруживать локальные участки резкого повышения напряжений в массиве. Как правило, они служат предвестником горного удара. Благодаря этому можно предотвращать несчастные случаи, своевременно выводя горнорабочих из опасных забоев.

Две задачи

Проблема борьбы с горными ударами сводится, таким образом, к решению двух задач: своевременному определению места и времени возникновения горного удара (прогнозированию) и к разработке технических мероприятий, позволяющих ослабить или предупредить его развитие.

Своевременное прогнозирование и применение в проектной документации таких технических мероприятий позволит проектировщику найти оптимальное проектное решение по отработке удароопасных месторождений.

Так, например, при нормативных требованиях о сокращении применения систем с открытым очистным пространством при отработке удароопасных месторождений на шахтах ПАО «Норильский никель» широко применяются камерные системы разработки. Но параметры таких камер приняты на основании четких расчетов по исходным данным, принятым из результатов исследований напряженного состояния отрабатываемого массива. Камеры здесь несравнимо меньше, чем, например, на комбинате «КМАруда». В Таштагольском рудоуправлении выходят из положения следующим образом. Вместо компенсационных камер в системе этажно-принудительного обрушения руды применяют систему восстающих выработок с суммарным объемом, равным объему компенсационной камеры, и обыгрывают отбойку руды взрывом на такие камеры определенной системой замедлений при проведении массовых взрывов.

Очень эффективно использование, по возможности, опережающей отработки защитных залежей. В пределах защищенных зон ведение горных работ осуществляется как в неудароопасных условиях.

Иными словами, при проектировании нужно максимально использовать все наработки, направленные на предотвращение горных ударов. Так, И. М. Петухов свел основные принципы предотвращения горных ударов применительно к рудным месторождениям к следующим /2/:

1. Снижение горного давления путем соответствующей раскройки и отработки шахтных полей, ведения горных работ широким фронтом с планомерным развитием их в направлении от выработанного пространства на массив руды с минимальным количеством выработок в массиве и без оставления целиков, применения опережающей разработки защитных рудных тел или создания искусственных полостей в массиве горных пород, использование закладки.
2. Снижение способности краевых частей рудных залежей и пород, прилегающих к выработкам, к упругому деформированию и накоплению больших запасов потенциальной энергии путем изменения их физико-механических свойств камуфлетным взрыванием или другими способами, выбора размеров и формы сечения горных выработок для облегчения псевдопластического деформирования пород, окружающих выработку.
3. Обеспечение мероприятий по защите людей и горных выработок от последствий горных ударов путем придания выработкам устойчивой формы сечения, проходки специальных разгрузочных щелей, применение щитов, выбора оптимального режима ведения горных работ, исключения опасных выработок, расположения выработок в закладочном массиве.

1. Управление процессом хрупкого разрушения руды и породы в целях предотвращения вредного влияния горных ударов и использование потенциальной энергии для разрушения руды и породы путем выбора мест расположения горных выработок и направления их проходки с учетом естественного поля напряжений в нетронутом массиве пород и степени удароопасности участков пород и руд.

Как видно, последний принцип уже направлен не только на предотвращение горных ударов, но и на использование способности пород накапливать потенциальную энергию и реализовать ее на разрушение массива. Это интересное направление работы с горным давлением, когда создаются условия для концентрации напряжений на определенных участках массива с целью его дальнейшего самообрушения на подготовленные выработки выпуска. Над такой практикой работает сейчас наука; это технология разработки удароопасных месторождений будущего.

Как показала практика, уменьшить опасность возникновения горного удара можно, если предварительно известно возможное место его проявления или очаг концентрации напряжений в массиве. А это возможно только при постоянном ведении работ по прогнозу горных ударов. Поэтому при проектировании необходимо серьезное внимание уделять проектным решениям по проведению работ по прогнозу горных ударов.

Благоприятный прогноз

Прогноз удароопасности участков массива пород, как известно, подразделяется на региональный и локальный. Данные регионального прогноза должны учитываться на стадии проектирования, планирования, ведения горных работ и уточняться в горных выработках локальными методами. Требования к методам прогноза известны и изложены в разделе III и приложении № 10 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам».

В последнее время было разработано множество приборов и методик, позволяющих в той или иной степени судить о характере изменения во времени напряженного состояния массива, для определения на практике действующих в нем нагрузок.

В качестве регионального метода прогноза наиболее распространен сейсмологический метод на основе сейсмостанции. Базовым локальным методом является метод дискования керна, основанный на делении керна на диски при его выбуривании в напряженных породах. Кроме этого, сегодня практикуется применение целого ряда других, более простых локальных методов прогноза: электрометрический, дипольного электромагнитного профилирования, сейсмоакустический, МГД (многоточечный гидравлический датчик), глубинных реперов, частичной и полной разгрузки (метод Хаста), тензометрический, ИЭМИ (импульсное электромагнитное излучение) и др.

В настоящее время автоматизированные станции для определения и контроля напряжений в массиве базируются на замере деформаций пород в контрольных скважинах или фиксируют сейсмоакустические волны, возникающие при трещинообразовании. С помощью таких станций определяют изменение напряжения в породах во времени.

Таким образом, в настоящее время в руках проектировщика имеется целый комплекс инструментов, позволяющих спроектировать вполне безопасную и эффективную технологию разработки месторождений, склонных и опасных по горным ударам. Необходимо только научиться правильно пользоваться этими инструментами и понимать, что задача предотвращения горных ударов не может быть сведена к использованию одного уникального способа, но должна решаться за счет использования комплекса мер, принимаемых на стадиях проектирования, подготовки и отработки месторождений.

Исходя из вышесказанного, нужно осознавать: экономия при проектировании на работах по прогнозу и предупреждению горных ударов является грубейшей ошибкой. Как показывает практика, она приводит не только к значительным эксплуатационным затратам и снижению интенсивности производства, но и к человеческим жертвам, а этому нет и не может быть оправдания.

При подготовке статьи были использованы следующие материалы:

1. Е. Л. Корп "Исследование в области механики горных пород бассейна Кур Д'Ален, Лондон", 1981.

2. И. М. Петухов, П. В. Егоров, Б. Ш. Винокур "Предотвращение горных ударов на рудниках", М.: «Недра», 1984.

Валерий Митрофанович Кирпиченко,
главный специалист управления объектов горно-металлургического комплекса
Главгосэкспертизы России, к.т.н, Заслуженный шахтер России

Статья опубликована в журнале «Вестник государственной экспертизы» № 4/2018