Поля напряжений в горных породах Восточного Узбекистана и оценка инженерно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых

Актуальность работы. Проблема изучения и прогнозирования развития угрожающих (опасных) геологических процессов, согласно «Основным направлениям экономического и социального развития СССР на I98I-I995 гг. и на период до 1990 г. п^, утвержденным ХХУ1 съездом КПСС, выдвинута как одна из важнейших в современной инженерной геологии. Благодаря геолого-геофизическим и поисковым исследованиям в восточной части Узбекистана открыто значительное число месторождений полезных ископаемых не только в равнинных, но так же в предгорных и горных областях. Восточный Узбекистан стал одним из весьма перспективных горно-промышленных районов УзССР.

Разработка и добыча полезных ископаемых в условиях предгорных и горных районов требует расширения объемов работ по созданию горнопромышленных объектов и горных выработок на относительно больших глубинах. Долговечность и безаварийность эксплуатации горных сооружений возможны лишь при выявлении закономерностей формирования инженерно-геологических условий осваиваемых территорий и площадей.

Структурно-геологическое положение и сейсмотектоническая обстановка исследуемого региона достаточно сложны. Горные породы находятся в напряженном состоянии различной степени, что создает трудности при подземной разработке месторождений полезных ископаемых и нередко вызывает аварийные ситуации.

Использование в практике подземных разработок достаточно простых инженерных расчетов не отвечает строгим требованиям обеспечения устойчивости горных выработок и нормальной технологии проходки. Поэтому теоретический анализ напряженного состояния гор

I) Основные направления экономического и социального развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г. — Правда, 28 февраля 1981 г. ных пород с учетом влияния инженерно-геологических, тектонических и геофизических факторов является весьма актуальным.

Цель и задачи работы. Разработать теоретический способ оценки влияния избыточных касательных напряжений обуславливающих высокую сейсмичность, территорий и определяющих инженерно-геологические условия месторождений Восточного Узбекистана. Обосновать применимость его на примере нескольких месторождений расположенных сейсмоопасных районах. На основе комплексного анализа собственных и фондовых материалов инструментальных наблюдений и экспериментов по инженерной геологии, геотектонике, горному делу и сейсмологии районирование полей касательных напряжений Восточного Узбекистана. Опираясь на результаты исследований разработать практические рекомендации по обеспечению устойчивости горных выработок и наиболее рациональной технологии их проходки на крупных месторождениях. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи: а) изучить инженерно-геологические условия месторождений Восточного Узбекистана и изучить физическое состояние горных породб) провести анализ напряженного состояния горных пород на разрабатываемых месторождениях и составить карту избыточных напряжений с учетом физических параметров сейсмических осаговв) исследовать наиболее опасные зоны воздействия интенсивных сейсмических нагрузок на условия проходки горных выработок и построить карту районирования полей касательных напряжений для Восточного Узбекистанаг) выявить закономерности формирования инженерно-геологических условий района в зависимости от сейсмичности, практическое использование которых обеспечит нормальную эксплуатацию гор. ных выработокд) на основе полученных результатов разработать конкретные рекомендации по выбору наиболее рационального пространственного расположения выработок и их конструкций.

Научная новизна работы и защищаемые положения.

Проведенными исследованиями впервые установлено, что в пределах Восточного Узбекистана существуют различные по характеру поля избыточных касательных напряжений: а) с нормальным гравитационным полем напряженийб) с преобладанием средних напряжений 2ЫПа > ^ IMl’laв) с преобладанием наивысших напряжений величины⁵?4г?>2МПа.

Изучение напряженного состояния горных пород в совокупности с сейсмичностью региона позволило впервые осуществить районирование и построить карту избыточных касательных напряжений для Восточного Узбекистана и прилегающих территорий. Полученные данные имеют большое практическое значение при определении инженерно-геологических условий как поверхностных, так и подземных участков (площадей), подвергнутых промышленной разработке, поскольку избыточные касательные напряжения в подземных горных выработках вызывают развитие геологических явлений (заколы, вывалы, массовые обрушения, сдвиги, стреляние и др.) угрожающих их устойчивости. На примере месторождений полезных ископаемых Восточного Узбекистана впервые показано, что распределение различных геологических явлений на них обусловлено не только пространственным распространением полей напряжений, но и определенными закономерностями, связанными с глубиной.

Практическая ценность. Выявленные закономерности и построенные карты избыточных касательных напряжений горных пород по площади и глубине, а также анализ преобладающих направлений их для Восточного Узбекистана в сопредельных территорий позволяют: I) наиболее обоснованно и правильно производить выбор сечений, ориентации и расположения горных выработок- 2) рассчитывать и применять виды необходимых креплений с целью увеличения их несущей способности- 3) определять наиболее оптимальные конструкции горных выработок и прогнозировать уменьшение (а возможно, и полное устранение) влияния на них геологических процессов и явлений (заколы, вывалы, обрушения, обвалы, стреляния и микроудары). Зто не только экономически выгодно при эксплуатации месторождений, но позволяет обеспечивать безопасность труда горняков.

Реализация работы. Основные результаты исследований отражены в научных отчетах, ответственным исполнителем которых являлся автор. Основные положения и рекомендации работы использованы и используются Рудничной партией Голодностепской гидрогеологической экспедиции Производственного объединения «Узбекгидрогеология». Так, применение основных рекомендаций и выводов работы на крупных месторождениях Коч-булак, Зармитан и Сармич экономический эффект в 700 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференции молодых ученых сейсмологов (Ташкент, 1976 г.) на научных семинарах Института сейсмологии АН УзССР (1975, 1981, 1983 гг.), в лаборатории механики горных пород Горного института Кольского филиала АН СССР (1978 г.), на кафедре технологии и комплексной разработки месторождений полезных ископаемых ТашПИ (1974 г.), на Всесоюзном совещании по механике сплошных сред (1979 г.), научно-теоретической конференции молодых ученых-геологов «Абдуллаевские чтения» (1982 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано б научных статей.

Объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав и заключения, общим объемом 116 страниц машинописного текста со списком литературы из 82 наименований. Текст иллюстрируется 22 графиками, рисунками и II таблицами.

Основой для написания диссертации послужили материалы исследований, выполненных автором за период с 1972 по 1983 гг. Кроме этого, были использованы фондовые материалы и опубликованная литература.

Исследования выполнены в лаборатории региональной инженерной геологии, сейсмического микрорайонирования и сильных движений почв Института сейсмологии АН УзССР, а также в Горном институте Кольского филиала АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР, доктора технических наук, профессора IИ.А.ТурчаниноваТ, кандидата технических наук, заведующего кафедрой технологии комплексной разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом Ташкентского политехнического Института им. Абу Райхана Бируни Ф. М. Ариповой и при консультации завлабораторией сейсмического микрорайонирования и сильных движений почв Института сейсмологии АНУзССР, доктора геолого-минералогических наук С.М.Касы-мова. Автор с глубокой благодарностью чтит память своего первого руководителя профессора IИ.А.ТурчаниноваТ, а также выражает большую признательность к.т.н. Ф. М. Ариповой и д.г.-м.н. С. М. Касымову, академику АН УзССР, д.г.-м.н., профессору Г. А. Мавлянову, Л.А.Хами-дову, к.г.-м.н. Х. Зарифбаеву, к.г.-м.н. М. Ш. Ыерматову и к.г.-м.н. Д. А. Абдурахманову за замечания и ценные советы при подготовке работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Изучение инженерно-геологических условий рудных месторождений Восточного Узбекистана и прилегающих территорий и анализ полученных результатов позволяют прийти к следующему заключению:

1. Формирование и развитие геологических процессов и явлений на территориях месторождений Восточного Узбекистана обусловлены направленностью и интенсивностью неотектонических движений, особенностями напряженного состояния горных пород, высокой сейсмичностью, неравномерностью обводнения, сильной тектонической нару-шенностью горных пород и многими другими факторами. Вертикальные составляющие напряжений в горных породах рассмотренных площадей увеличиваются в 1,1−3,0 раза, а горизонтальные в 2−10 раз по сравнению с расчетными, и ориентированы субмеридионально.

2. Максимальные преобладающие действующие горизонтальные составляющие напряжений направлены перпендикулярно к простиранию основных хребтов Восточного Узбекистана. Поэтому в пределах этого района существуют различные по характеру поля избыточных касательных напряжений.

3. Изучение напряженного состояния горных пород с учетом сейсмичности территории Восточного Узбекистана позволило впервые провести её районирование по избыточным касательным напряжениям. Выделены районыс нормальными гравитационным полем напряжений г? ах < ^ с приобладанием средних значений напряжений 1МПа^ 2 МПас преобладанием высоких значений напряжений.

4. Выявлено, что напряженное состояние горных пород тесно связано с тектоническими движениями земной коры, геоморфологией, а также с физико-механическими свойствами горных пород.

5. Исследование влияния наиболее опасных воздействий интенсивных сейсмических нагрузок на изменение инженерно-геологичес- ¦

— 105 ких условий горных выработок показало, что избыточные напряжения вызывают развитие геологических явлений (заколов, вывалов, обрушений, стреляний и др.), угрожающих устойчивости горных выработок в зависимости от глубины их расположения и от пространственного распределения полей напряжений. На основе этого выявлены относительные глубины проявления угрожающих геологических явлений, таких, как стреляние, микроудары и их активизация.

6. В районах Восточного Узбекистана, характеризующихся избыточными напряжениями II и Ш категории, для уменьшения количества и масштабов ожидаемых геологических явлений, а также сохранения устойчивости подземных горных выработок необходимо ориентировать в субмеридиональном направлении.

7. Динамические воздействия землетрясений и крупные промышленные взрывы активизируют такие геологические процессы и явления, как заколы, вывалы, обрушений и трещинообразовакие. Следовательно, при проектировании горных выработок и подземных сооружений необходимо учитывать сейсмичность территории независимо от того, на каких глубинах ведется разработка полезных ископаемых. Характер и масштабы проявления геологических процессов и явлений, связанных с землетрясениями, в первую очередь зависит от эгшцентрального расстояния, глубины очага, магнитуды землетрясения и геологического строения самого месторождения;

8. При проектировании горных выработок следует учитывать особенности глубинных инженерно-геологических и сейсмологических условий с тем, чтобы гарантировать безопасность производства горных работ, а следователвно, предусмотреть и дополнительный комплекс инженерных мероприятий, предупреждающих нарушения устойчивости горных выработок от действия избыточных напряжений динамических воздействий землетрясений, местных взрывных работ и других факторов.

— 106.

9. Изучение полей напряжений в горных породах месторождений Восточного Узбекистана позволяет предложить следующие рекомендации в целях обеспечения успешной проходки горных выработок, разработки месторождений и безаварийной их эксплуатации: а) для месторождений, расположенных в районах с нормальными гравитационными полями напряжений, при разработке и проходке горных выработок необходима установка предохранительных крепей и набрызг бетона малой и средней толщины (^ 3−5 см) — б) на месторождениях, находящихся в районах, где преобладают напряжения средней величины, равные I МПа ^^изб 2 МПа.

0,03+0,07 МПа), при разработке и проходке горных выработок необходима установка предохранительных крепей и набрызг бетона малой и средней толщины (^ 3*5 см), а также штанговая крепь по сетке размерами 1,0×1,0 м и длиной 1,8 мв) на месторождениях, расположенных в районах с преобладанием наивысших величин значений и напряжений равных^изб. > 2 МПа.

0,07 МПа), при разработке и проходке горных выработок необходимо задавать поперечные сечения выработок круглой формы и применять контурное взрывание,.а также набрызг бетона малой и средней толщины, железобетонная штанговая крепь по сетке должна иметь размеры 1,0×1,0 м и длину 2 мг) в сильно трещиноватых, раздробленных и окисленных зонах при проходке горных выработок, расположенных на площадях 11 и Ш категории избыточных напряжений, необходимо применять контурное взрывание и штанговую крепь размером 0,5×0,5 м и длиной 2,2 м, подвижную потолочную крепь на штангах с забутовкой деревом и бетонную крепь толщиной 20+30 см.

Таким образом, в настоящей работе впервые удалось теоретически оценить инженерно-геологических условий месторождений по избыточным касательным напряжениям и сейсмичности.