Геомеханическое обоснование отработки запасов глубокого горизонта в сложных горно-геологических и геодинамических условиях

УДК 622.831

И.Э. Семенова, И.М. Аветисян, А.В. Земцовский

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ ГЛУБОКОГО ГОРИЗОНТА В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ*

Аннотация. Рассмотрены четыре принципиально возможные схемывыемки запасов горизонта +10 м Кировского рудника АО «Апатит», отрабатывающего Кукисвумчоррское и Юкспорское месторождения. Разработана трехмерная геомеханическая модель массива, включающего Кукисвумчоррское и Юкспорское месторождения. В модели учтены основные геологические, геомеханические и горнотехнические факторы. Основное влияние на напряженно-деформированное состояние массива, отрабатываемого Кировским рудником, оказывают: исходное поле напряжений, свойства вмещающих пород и руды, тектонические разломы, сформировавшееся консольное зависание покрывающих пород, форма границы отбойки вышележащего горизонта. Проведено многовариантное численное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород при имитации последовательной выемки запасов горизонта +10 м методом конечных элементов в объемной постановке с использованием программного комплекса SigmaGT, разработанного в Горном институте КНЦ РАН. Определены основные закономерности перераспределения напряжений при разных вариантах развития горных работ. Выявлены зоны концентрации сжимающих напряжений и разгрузки массива на разных этапах, а также предположительные зоны повышенной геодинамической опасности. Показана опасность сближения фронта очистной выемки с мощной геодинамически активной структурой (Саамским разломом), что по условиям ведения горных работ приближается к условиям выемки запасов в блоке-целике. По результатам проведенных исследований определен наиболее безопасный с геомеханической точки зрения вариант отработки горизонта +10 м, предполагающий разрезку у Саамского разлома и развитие горных работ от него двумя фронтами с использованием системы подэтажного обрушения.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, геомеханические прогнозы, численное моделирование, подземная разработка месторождений полезных ископаемых, удароопасные месторождения, геодинамически активные структуры.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-0-65-73

Введение

Хибинский массив расположен на Кольском полуострове, в северо-западной части России. Хибинские апатит-нефелиновые месторождения являются крупнейшим в мире источником фосфатного сырья. Шесть месторождений апатитовой дуги (Кукисвумчоррское, Юкс-

порское, Апатитовый Цирк, Плато Рас-вумчорр, Коашвинское и Ньоркпахк-ское) разрабатывает АО «Апатит».

Целью исследований, представленных в данной статье, является выбор наиболее безопасного по геомеханическим условиям варианта выемки запасов горизонта +10 м Кировского руд-

* Исследования выполнены в рамках темы НИР 0226-2016-0004_ГоИ «Исследование процессов энергообмена в геологической среде горнотехнических систем для обеспечения геодинамической безопасности разработки недр Северо-запада Арктического региона» при финансовой поддержке АО «Апатит».

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 12. С. 65-73. © И.Э. Семенова, И.М. Аветисян, А.В. Земцовский. 2018.

ника АО «Апатит», который отрабатывает Кукисвумчоррское и Юкспорское месторождения. Данные месторождения ограничены Северным и Гакманским и разделены Саамским субвертикальными радиальными разломами протяженностью до нескольких десятков километров и расположены в отдельных блоках массива с отличными друг от друга геодинамическими свойствами. Горные работы на месторождениях ведутся в удароопасных условиях [1].

Наиболее опасной геодинамической структурой, в окрестности которой планируется вести горные работы на гор. +10 м является Саамский разлом, который определяет в том числе различия в направлении действия тектонических напряжений по отношению к элементам залегания рудного тела в плане на исследуемых месторождениях. Так на Кукисвумчоррском месторождении тектонические напряжения действуют в направлении, близком вкрест простирания рудного тела [2], на Юкспорском месторождении — в диагональном направлении. С этим связаны различия в состоянии выработок, особенности фор-

мирования зон концентрации напряжений, а значит и разрабатываемые региональные разгрузочные мероприятия. Кроме тогов 2016 г. зафиксировано несколько сейсмических событий с энергией более 106 Дж в районе Саамского разлома, что говорит о его геодинамической активности [3].

При отработке гор. +10 м будет создано единое очистное пространство в пределах двух месторождений, что может кардинальным образом изменить геомеханический и геодинамический режим протяженного участка («2,5 км) Хибинской апатитовой дуги. В этой связи прогнозирование геомеханической ситуации и выявление особенностей НДС при различных вариантах развития горных работ является особенно актуальным для принятия решений по выемке запасов глубокого горизонта в удароопасных условиях.

Методология исследований

Задача обеспечения безопасности горных работ при отработке запасов горизонта +10 м решена на основе прогнозных расчетов напряженно-деформи-

Рис. 1. Общий вид объемной конечно-элементной модели Кировского рудника Fig. 1. General view of the finite element model of Kirov Mine

Физико-механические свойства горных пород Physical and mechanical properties of rocks

Показатели Вмещающие породы Породы рудного тела Породы Саамского разлома

Модуль упругости, Гпа 70 40 1,5

Коэффициент Пуассона 0,2 0,35 0,35

Плотность, т/м3 2,65 3,00 3,00

рованного состояния с использованием численных методов. Для численных методов характерны универсальность, применимость для широкого класса случаев и относительная простота вычислений [4—7].

В Горном институте КНЦ РАН разработан программный комплекс SigmaGT, реализующий метод конечных элементов в объемной постановке и позволяющий проводить моделирование поля напряжений и деформаций с учетом основных геологических и горнотехнических факторов. Для получения достоверных результатов расчетного поля напряжений применялась методика последовательных приближений, в основу которой положено трехмерное численное моделирование НДС на нескольких масштабных уровнях [8].

Для обоснования порядка очистных работ была разработана трехмерная геомеханическая модель Кировского рудника, которая включает в себя Кукисвум-чоррское и Юкспорское месторождения, учитывает геометрию рудных тел, упругие свойства массива, рельеф дневной поверхности, фактическое положение бровки обрушения, параметры Саамского разлома и геометрию Саамского карьера, а также исходное НДС массива (рис. 1). Модель состоит из 244 вертикальных сечений, каждое из которых содержит 9828 узлов и 9625 элементов, вся модель содержит 2 407 860 узлов и 2 348 500 элемента.

Граничные условия для расчета НДС массива были заданы в виде узловых перемещений на гранях модели. Информация о граничных условиях получена

путем интерполяции перемещений, полученных в результате мелкомасштабного моделирования НДС массива в модели Хибинского массива. Принятые в модели физико-механические свойства показаны в таблице.

В ходе выполнения работ было рассмотрено 4 варианта отработки запасов горизонта:

1 — с разрезкой по Саамскому разлому и ведением горных работ двумя фронтами от разлома в сторону Кукисвумчор-ра и в сторону Юкспора (рис. 2, а);

2 — с разрезкой на Кукисвумчорре и ведением горных работ в сторону Юкспора (рис. 2, б);

3 — с двумя разрезками на Кукисвумчорре и Юкспоре и ведением горных работ навстречу друг другу (рис. 2, в);

4 — с разрезкой на Юкспоре и ведением горных работ в сторону Кукисвум-чорра (рис. 2, г).

На рис. 2 номерами обозначены этапы отработки рудного тела, а стрелками показаны направления развития фронтов очистных работ.

Результаты исследований

Анализ результатов расчетов НДС показал, чтов целом, при любом развитии горных работ можно отметить:

• высокий уровень исходных сжимающих напряжений на горизонте +10 м в зоне проходки комплекса капитальных выработок без ухудшения геомеханической ситуации по мере развития горных работ;

• ориентировку действующих тектонических напряжений в зонах стыковки

Рис. 2. Рассмотренные варианты развития горных работ на гор. +170, +90 и +10 м Кировского рудника. Проекция на вертикальное сечение по простиранию рудной залежи Fig. 2. Variants of mining at Levels +170, +90 and +10 m of Kirov Mine. Projection on the vertical section along the strike of the ore body

горных работ в направлении близком вкрест простирания рудного тела;

• разнородное поле напряжений по направлению — с превалирующим действием атах по простиранию и диагонально рудному телу на удалении от горных работ;

• переориентировку напряжений атах вплоть до направления вкрест простира-

ния в окрестности очистной выемки, особенно у развивающихся фронтов работ;

• контрастное поле напряжений в зоне Саамского разлома под карьерной выемкой с перемежающимися зонами концентрации сжимающих и растягивающих напряжений.

Для первого варианта развития работ наиболее сложные геомеханические

Рис. 3. Распределение amax на горизонте +10 м для варианта 1 Fig. 3. Distribution of ст at Level +10 m for Variant 1

условия формируются по флангам развивающегося очистного пространства, где горные работы будут вестись при уровне сжимающих напряжений более

50 МПа (рис. 3). Как и для других вариантов наиболее высокий уровень ст в

J ^ max

висячем боку под фронтом вышележащей очистной выемки. При разрезке и

M 1 Ш 0 4 » I <V Я ХЛроекция отбойки ? _A

/ FW ™ p ri \

M 8 DC Г1, A \

b< __ % i л J KJ •

[чт <t n \ о ,v

? br Ц , Л' ' \ V Шу С

M 4 DC i * V

\ tW > V \

M ? 0( i 1 ¿ж TT

\ 'V

M 0 ( Р» Tl 46 Р fe X (

ш

M ?( }f) Ч-'

F 2 F 4 F 6 F В If 10 F 12 F 14 F 16 F IS -P 7* p 2* r li

Wwv

Рис. 5. Распределение amax на горизонте +10 м для варианта 3 Fig. 5. Distribution of ст at Level +10 m for Variant 3

° max

развитии работ от Саамского разлома ны разгрузки массива с уровнем CTmax

при создании опережений под 45° не- менее 35 МПа.

посредственно у фронтов горных работ При втором варианте развития работ

на подэтажах гор. +10 м образуются зо- с разрезкой на Кукисвумчорре наиболее

Рис. 6. Распределение CTmax на горизонте +10 м для варианта 4 Fig. 6. Distribution of ст at Level +10 m for Variant 4

опасная ситуация по уровню действующих сжимающих напряжений в висячем боку массива пород блока-целика, где фоновые значения напряжений сттах более 70 МПа (рис. 4). После развития работ за Саамский разлом опасная зона концентраций приурочена к опережающей зоне очистной выемки в висячем боку рудной залежи на Юкспоре.

При третьем варианте развития горных работ в зоне пригрузки находится практически весь массив между фронтами горных работ за исключением тела самого разлома (рис. 5). В данном случае велика вероятность активизации Саамского разлома со значительным повышением уровня сейсмичности в этом районе. Значительное ухудшение геомеханических условий с существенным повышением удароопасности выработок откаточного горизонта +10 м прогнозируется под очистной выемкой Юкспор-ской рудной залежи, мощность которой значительно уменьшается на нижних подэтажах горизонта +10 м, что приводит к слиянию зон концентрации напряжений в висячем и лежачем боку рудной залежи с величинами сттах более 70 МПа. Данная ситуация характерна для всех вариантов развития горных работ, так как связана с геометрией рудного тела на Юкспорском месторождении.

Следует отметить, что в Федеральных нормах и правилах в области промышленной безопасности [9] указано, что следует обеспечивать планомерное извлечение запасов без образования целиков, однако по факту это не всегда возможно. Блок-целик, в соответствии с действующими «Указаниями» [10] — участок рудной залежи между встречными фронтами очистных работ (как открытых, так и подземных) с размерами, при которых начинается их взаимное влияние. Однако сближение фронта горных работ с мощной геодинамически активной структурой несет в себе не меньший

уровень удароопасности и по условиям ведения горных работ приближается к условиям выемки запасов в блоке-целике.

Этажные блоки-целики отрабатываются по специальному техническому регламенту. При выборе места расположения блока-целика, и особенно его стыковочной секции, следует стремиться к тому, чтобы они находились в наименее напряженном и геологически однородном участке массива пород. То есть, развитие горных работ по варианту 3, когда с двух сторон подземные горные работы приближаются к Саамскому разлому, крайне нежелателен. При переносе блока-целика на одно из месторождений тоже не удастся избежать сложной геомеханической ситуации и отработки двух блоков-целиков сначала у Саамского разлома, потом непосредственно между сближающимися фронтами подземных горных работ.

К особенностям четвертого варианта развития работ с разрезкой на Юкспоре можно отнести меньшую площадь и уровень концентрации сжимающих напряжений в массиве между фронтом горных работ гор. +10 м и Саамским разломом, а также достаточную разгрузку массива после развития горных работ с опережением по висячему боку рудной залежи за разлом в сторону Ку-кисвумчорра (рис. 6).

Выводы

Таким образом, по результатам анализа НДС массива определены основные закономерности перераспределения напряжений для четырех возможных схем отработки горизонта +10 м Кировского рудника.

Установлено, что минимизацию геодинамических рисков обеспечивает разрезка у Саамского разлома и развитие горных работ от него двумя фронтами с использованием системы подэтажного обрушения (вариант 1).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Турчанинов И.А., Марков Г. А., Иванов В. И., Козырев А. А. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. — Л.: Наука, 1978. — 256 с.

2. Козырев А. А., Семенова И.Э., Аветисян И. М. Геомеханическое обоснование выемки запасов глубоких горизонтов Кукисвумчоррского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 4. — С. 143—155.

3. Козырев А.А., Семенова И.Э., Журавлева О. Г., Пантелеев А.В. Оценка геодинамической и сейсмической ситуации в районе Саамского разлома // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 4. — С. 247—258.

4. Singh G.S.P., Singh U.K. A numerical modeling approach for assessment of progressive caving of strata and performance of hydraulic powered support in longwall workings. Computers and Geotechnics, Vol. 36, Issue 7, September 2009, pp. 1142—1156.

5. Hidalgo K.P., Nordlund E. Failure process analysis of spalling failure — Comparison of laboratory test and numerical modelling data / Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 32, November 2012, pp. 66—77.

6. Pan P., FengX. Numerical study on coupled thermo-mechanical processes in Aspo Pillar Stability Experiment / Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol. 5, Issue 2, April 2013, pp 136—144.

7. Stead D., Coggan J.S., Elmo D., Yan M. Modelling Brittle Fracture in Rock Slopes — Experience Gained and Lessons Learned. Slope Stability 2007, pp. 239—252.

8. Козырев А.А., Семенова И.Э.,Шестов А.А. Методика экспертной оценки геомеханического состояния удароопасных участков рудных месторождений / Инновационные технологии и современные методы инженерного обеспечения горно-обогатительного производства. — Апатиты, 2010. — С. 17—20.

9. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых». Приказ Ростехнадзора от 11 декабря 2013 г. № 599.

10. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатит-нефелиновые месторождения). — Апатиты-Ки-ровск, 2010. — 117 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Семенова Инна Эриковна1 — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru, Аветисян Иван Михайлович1 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail:ivanavetisyan@yandex.ru, Земцовский Александр Васильевич1 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru, 1 ГоИ КНЦ РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 12, pp. 65-73.

Geomechanical modeling of deep-level mining under difficult geological and geodynamic conditions

Semenova I.E.1, Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru, Avetisian I.M.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: ivanavetisyan@yandex.ru, Zemtsovskiy A.V1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru, 1 Mining Institute — Subdivision of the Federal Research Centre «Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences» (Mining Institute KSC RAS), 184209, Apatity, Russia.

Abstract. In spotlight are four feasible schemes of mining at Level +10 m In Kirov Mine of Apatit at the Kukisvumchorr and Yukspor deposits. The developed three-dimensional geomechanical model embraces rock mass holding the listed deposits. The model includes basic geological, geomechanical and geotechni-cal factors. The critical influence on stress state of rock mass in Kirov Mine is exerted by: in-situ stress state of rocks, properties of enclosing rocks and ore body, tectonic faults, overhanging of overburden above ore bodies and blasting profile of the over-lying horizon. The multivariate stress state modeling in rock mass under successive extraction of ore reserves from Level +10 m is carried out in three-dimensional formulation using the finite element method and SigmaGT software product developed at the Mining Institute of the Kola Science Center, Russian Academy of Sciences. The basic stress redistribution patterns are determined for different mining scenarios. The zones of the compression stress concentration and relaxation, as well as anticipated increased geodynamic hazard are detected for different stages of mining. The riskiness of approaching a thick geodynamically active structure (Saam fault) in the course of extraction of ore reserves from a block pillar is demonstrated. Based on the research finings, the geomechanically safest variant of mining at Level +10 m involves geological exploration in the zone of the Saam fault and mining advance in either side of the fault using the systems of sublevel caving.

Key words: stress state, geomechanical forecast, numerical modeling, underground mining mining, rockburst-hazardous deposits, geodynamically active structures.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-0-65-73

ACKNOWLEDGEMENTS

The studies were performed in the framework of the research topics of the 0226-2016-0004_GoI «Study of the processes of energy exchange in the geological environment of mining systems for providing geodynamic safety of the mining development of the North-West Arctic region» with the financial support of JSC «Apatite».

REFERENCES

1. Turchaninov I. A., Markov G. A., Ivanov V. I., Kozyrev A. A. Tektonicheskie napryazheniya vzemnoy kore i ustoychivost' gornykh vyrabotok [Tectonic stresses in the earth crust and stability of underground excavations], Leningrad, Nauka, 1978, 256 p.

2. Kozyrev A. A., Semenova I. E., Avetisyan I. M. Geomekhanicheskoe obosnovanie vyemki zapasov glubokikh gorizontov Kukisvumchorrskogo mestorozhdeniya [Geomechanical assessment of mining conditions at deep levels of the Kukisvumchorr deposit], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 4, pp. 143-155. [In Russ].

3. Kozyrev A. A., Semenova I. E., Zhuravleva O. G., Panteleev A. V. Otsenka geodinamicheskoy i seysmich-eskoy situatsii v rayone Saamskogo razloma [Geodynamic and seismic assessment of the Saam fault zone], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 4, pp. 247—258. [In Russ].

4. Singh G. S.P., Singh U. K. A numerical modeling approach for assessment of progressive caving of strata and performance of hydraulic powered support in longwall workings. Computers and Geotechnics, Vol. 36, Issue 7, September 2009, pp. 1142—1156.

5. Hidalgo K. P., Nordlund E. Failure process analysis of spalling failure — Comparison of laboratory test and numerical modelling data. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 32, November 2012, pp. 66—77.

6. Pan P., Feng X. Numerical study on coupled thermo-mechanical processes in Aspo Pillar Stability Experiment. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol. 5, Issue 2, April 2013, pp. 136—144.

7. Stead D., Coggan J. S., Elmo D., Yan M. Modelling Brittle Fracture in Rock Slopes — Experience Gained and Lessons Learned. Slope Stability 2007, pp. 239—252.

8. Kozyrev A. A., Semenova I. E., Shestov A. A. Metodika ekspertnoy otsenki geomekhanicheskogo sos-toyaniya udaroopasnykh uchastkov rudnykh mestorozhdeniy [Expert estimation procedure of geomechanical behavior in rockburst-hazardous area of ore deposits], Innovatsionnye tekhnologii i sovremennye metody inzhenernogo obespecheniya gorno-obogatitel'nogo proizvodstva. Apatity, 2010, pp. 17—20. [In Russ].

9. Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotke tverdykh poleznykh iskopaemykh». Prikaz Rostekhnadzora ot 11 dekabrya 2013 g, no 599 [Federal Norms and Regulations on Industrial Safety: Safety Rules for Solid Mineral Mining and Processing. Order of Rostekhnadzor of December 11, 2013, no 599].

10. Ukazaniya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na mestorozhdeniyakh, sklonnykh i opasnykh po gornym udaram (Khibinskie apatit-nefelinovye mestorozhdeniya) [Guidelines on safe mining in rockburst-hazardous conditions (Khibiny apatite-nepheline deposits)], Apatity-Kirovsk, 2010, 117 p.