Геомеханические проблемы перехода на подземную разработку трубки «Мир» и основные направления их решения

СЕМИНАР 5

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Д.М. Казикаев, проф., д.м.н.,

МГГУ

Геомеханические проблемы перехода на подземную разработку трубки «Мир» и основные направления их решения

1. Особенности горно-геологической ситуации месторождения

Кимберлитовое месторождение «Мир» представлено трубообразным рудным телом субвер-тикального (85-87?) падения с размерами эллипсовидного поперечного сечения у земной поверхности 140 х 300 м, а у дна карьера (глубина 455 м) наибольший размер сечения около 200 м.

Вмещающая толща сложена осадочными терригенно-карбонат-ными и сульфатно-карбонатными породами кембрия. Вечная мерзлота до глубины 300 м. Толща представлена переслаиванием различной мощности слоев доломитов и известняков. Встречаются алевролиты и мергели. Наиболее мощная Чарская свита (555-855 м) сложена соленосными отложениями (соленасыщенность свиты 50-65%), каменной солью (пласты по 2-23 м). Пласты соли встречаются и на более нижних горизонтах (2-15 м).

Руды представлены в основном кимберлитовой брекчией и, в меньшей степени, кимберлитами. Контакты трубки с вмещающими породами четкие, часто по контакту встречаются зеркала скольжения.

Вмещающие породы и рудное тело характеризуются слабой (до 3-х трещин на метр) и средней (до 5-ти трещин на метр) трещиноватостью. Преобладают трещины минерализованные (95%).

Существенных изменений пород или повышенной трещиноватости в приконтактной зоне не устанавливается.

Наибольшую опасность для горных работ представляет мете-героичерский водоносный горизонт (комплекс), кровля которого в интервале глубин 284-320 м, почва на глубинах 453-505 м. На-

поры над кровлей - 190-200 м. Водовмещающие породы - окрем-ненные трещиноватые известняки. Подземные воды этого комплекса имеют хлоридно-натриевый состав, минерализацию от 85 до 156 г/л и содержат растворенные газы: азот, метан, водород, сероводород, этан, аргон, гелий, углекислый газ.

Кимберлиты слабо проницаемы или водоупорны. Отложения Чарской свиты - слабопроницаемы.

2. Горногеомеханические условия

Прочностные свойства вмещающих пород с глубиной увеличиваются. Так, прочность на сжатие по интервалам глубин

500-600 м - от 2,4 до 132 МПа (Ср.= 31 МПа);

800-900 м - от 8,2 до 131 МПа (Ср.= 39 МПа);

1200-1300 м - от 4,8 до 161 МПа (Ср.= 54 МПа).

Прочность кимберлитов с глубиной не изменяется и составляет 5-60 МПа (Ср.= 34 МПа).

Объемная масса вмещающих пород с глубиной увеличивается от 2,7 • 10-2 МН/м3 до 2,8 • 10-2 МН/м3. Объемная масса кимберлитов равна 2,5 • 10 2 МН/м3.

Предполагается, что в районе месторождения, помимо гравитационных, действуют и тектонические напряжения. Величины их оценены в 1989г. ИПКОН по эмпирическим формулам только расчетно и в интервалах глубин 600-1200 имеют величины

= 22 - 36 МПа, = 11 - 21

МПа (при изменении вертикальных гравитационных напряжений

= 15 - 30 МПа).

3. Горнотехническая и экономическая ситуация

Г лубина карьера составляет

455 м, и значительно превысила экономически целесообразную и технологически допустимую отметку, т.к. с самого начала было очевидно, что переход на подземный способ добычи неизбежен. Исходя из этого, нужно признать ошибочной концепцию технического проекта освоения месторождения, ориентированную лишь на открытый способ отработки. Если бы он был составлен на открытоподземный (комбинированный) способ отработки месторождения, то решения должны были быть существенно другими. Не случайно же в проектах открытоподземной разработки алмазоносных месторождений ЮАР глубина карьеров не превышает 250-270 м. В более сложных горно-геологических условиях месторождений Якутии и, учитывая географоклиматические особенности региона, глубина карьера должна быть еще меньше (порядка 200 м). В этом случае условия перехода на подземный способ и условия работы подземного рудника могли быть лучше, а конечная эффективность освоения месторождения в целом - существенно выше.

4. Предварительный анализ возможных направлений перехода на подземный способ разработки.

С учетом сложившейся ситуации в горно-геологических условиях месторождения можно выделить две принципиально возможных группы путей перехода с открытого на подземный способ разработки: с выделением переходной зоны (схема 1) и без выделения ее (схема 2).

Глубина переходной зоны определяется зоной взаимного гео-механического влияния карьера и

подземных выработок. При этом доминирующее значение здесь имеет обеспечение безопасности работ, а не соображения техникоэкономического порядка. Подбор технологических вариантов добычи руды и имеющегося широкого арсенала (что-то новое вряд ли нужно придумывать) зависит от разработки удовлетворительных решений по управлению гидрогеологическими и геомеханическими процессами. В данном случае, сначала - гидрогеологическими процессами.

4.1. Управление гидрогеологическими процессами

Сооружаемая противофильт-рационная завеса (ПФЗ), по всей видимости, не даст ожидаемого результата (снижение водопри-тока с 1200 м3/час до 300-400 м3/час). Нужно заметить, что без решения гидрогеологической задачи невозможно вообще начать горные работы.

Решения может быть два: сооружение в дополнение к ПФЗ подземного дренажного комплекса (ПДК) и перехват основной части воды после ПФЗ (схема А) или затопление карьера (схема Б).

По схеме А между рудной залежью и ПФЗ сооружается подземный дренажный комплекс (ПДК), включающий: кольцевой дренажный штрек с дренажными камерами и сеть восстающих водосборных скважин. С помощью ПДК оставшийся водоприток в подземные горные выработки может быть доведен до уровня 300200 м3/час (рис.1).

Но по обеим схемам (А и Б) первоначально дорабатывается карьер до глубины 525 м, что соответствует почве водоносного комплекса. Есть возможность доработку карьера выполнить, по существу, без разноса бортов с использованием Метода Юна.

4.2. Управление геомеханиче-скими процессами

4.2.1. Важная особенность схемы А - направленность на применение высокопроизводительных и недорогих систем под

144

земной разработки руд, в частности, систем с обрушением руды и вмещающих пород, а на начальном этапе - варианта с открытым очистным пространством, выходящим в карьер.

Такая возможность основывается на предварительном анализе геомеханических процессов, сопровождающих эту технологию подземных добычных работ, а также опытом алмазных рудников Южной Африки.

Интересным и привлекательным по технико-экономическим показателям является отработка верхней части залежи (примыкающей к карьеру) по варианту открытого очистного пространства. При этом общая высота открытого очистного пространства, выходящего в карьер, может достигать нескольких десятков метров.

В этих условиях возникает ряд геомеханических задач. Прежде всего, определение предельно допустимой высоты (Нопр.) открытого пространства, соответствующей устойчивости стенок цилиндрической незаполненной полости при заданных условиях залегания залежи и физико-механических характеристиках пород (рис.1).

Далее, при каких условиях начнется обрушение стенок открытого очистного пространства?

Каковы параметры призмы обрушения: высота, толщина (раз-

мер в сторону массива), ширина, форма поверхности обрушения? Как отразится это на устойчивости откоса борта карьера в целом, и каковы параметры потенциальной призмы обрушения? и т.д.

По некоторым из этих задач выполнены исследования и получены результаты. Величина Нопр. по данным ВНИМИ и ИГД СОРАН получены в пределах 180-185 м, но толщина призмы обрушения соответственно 120130 м и 40-45 м. По нашим предварительным данным Но,пр. = 150-170 м, толщина призмы - 60-65 м.

Обрушение стенок открыто-подземного пространства вызовет (с большой вероятностью) потерю устойчивости массивов в бортах карьера. Обрушение пород будет развиваться вглубь массива. Пока нет ответа на вопрос о предельной глубине развития этого процесса. Как крайний случай, - это будет положение поверхности обрушения, соответствующее предельному устойчивому положению откоса борта карьера. Полагаем, что угол наклона его будет на 15-20° больше, нежели у существующего в настоящее время угла погашения карьера, т.е. 58-63°. В этом случае контур зоны обрушения массива борта карьера практически не выйдет за существующий на земной поверхности контур самого карьера. Но здесь не учтен еще подпорный эффект обрушившейся горной массы.

Наши исследования показывают, что контуры поверхностей призм обрушения как первоначального в открыто-подземное пространство, так и фиксированных положений их при развитии вглубь массива борта карьера, описываются степенными функциями типа параболических.

При дальнейшем понижении уровня подземных работ (>Нопр.) схема отработки приобретает все признаки систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород с характерными для них гео-

ГИАБ

механическими процессами. Но есть некоторые особенности, присущие рассматриваемым условиям.

Известно, что криволинейная (в частности, круглая) форма выработки, при прочих равных условиях, является наиболее устойчивой. Это относится в равной мере, как к подземным, так и к открытым горным выработкам (карьерам). Причем, чем меньше радиус кривизны контура выработки, тем более устойчива выработка. Учет этого эффекта зажатия пород у контура позволяет считать, что с глубины 650-670 м (т.е. 190-200 м от дна карьера) подземные работы перестанут существенно влиять на устойчивость откосов бортов карьера, а с 950-970 м они не будут влиять на земную поверхность, т.е. процессы обрушения и сдвижения горных пород в результате подземной разработки локализуются в массиве вмещающих пород. В худшем случае, проявления сдвижения пород могут быть отмечены на нижних уступах карьера.

Другая особенность этого месторождения - в необычных условиях залегания рудной залежи. Кимберлитовая трубка - практически вертикальное тело эллиптического поперечного сечения сравнительно небольших размеров (100 х 200 м), с четко обозначенными контурами и слабым контактом с вмещающими породами. По всей видимости, все это скорректирует общепризнанные закономерности обрушения руд и вмещающих пород, их перемещения в обрушенной массе и другие параметры. С точки зрения геоме-ханической это, прежде всего, задача прогнозирования проникновения увлажненных песчаноглинистых масс через зону обрушения. В описанных условиях есть вероятность того, что на нижних горизонтах зона обрушения будет представлена лишь воронкой обрушения [1].

Г лубину проникновения увлажненных песчано-глинистых пород в обрушенный скальный массив можно оценить по зависимости [2]

(R„ - 1)P

12 V а

здесь Кр - коэффициент разрыхления скальных пород; Р - внешнее давление на песчано-глини-тые породы, определяемое как Р = (Р + Р2) = у1  т-1 + у 2 • m2, где у1 - объемная масса песчаноглинистых пород; у2 — средняя объемная масса налегающих пород; да1 и т2 - мощность песчано-глинистых и налегающих пород соответственно; Тпр - предельное напряжение сдвига песчано-глинистых пород; d - гармоническое средневзвешенное значение диаметра частиц скальных обрушенных пород.

d=£—,

1=1 ^

где £ - объемная доля частиц диаметром di в обрушенном массиве; di - диаметр частиц ^ой

фракции.

Если, например, принять:

кг

т = 0,1—-

см

(для глин и мерге-

лей); Яр = 1,3 (изменяется от 1,1

до 1,5); d = 0,2 (изменяется в

пределах 0,07-0,3);

Т Т

Р = у  т = 2--х 50м = 100----,

' 3 2 5

м м

то получим 1пр = 12,5 м.

Следовательно, над выработками выпускного горизонта достаточно иметь толщу из обрушенных пород мощностью 14-15 м, чтобы предотвратить проникновение увлажненных песчано-глинистых пород в подземные выработки.

Но это утверждение правомерно в том случае, если толща обрушенных скальных пород практически неподвижна, а полученную по критерию (1) толщину защитного слоя считать минимально необходимой.

Если обрушенные породы находятся в постоянном движении, сопровождающемся взаимным перемещением частиц в результате,

например, выпуска и удаления с нижней части отбитой руды, то картина продвижения увлажненных песчано-глинистых масс будет сложной и методов описания ее и получения соответствующей прогнозной величины l пока

нет. Можно утверждать, что она будет больше, чем в предыдущем случае. Однако предельно возможную глубину проникновения песчано-глинистых масс в обрушенных породах можно оценить по другому критерию:

m1 > «

где п - пористость обрушенного массива.

Отсюда

mi

max lnP. = —

п

В рассматриваемом примере это будет

, 50м

max l„P. = — =167 м

Следовательно, имеющихся запасов песчано-глинистых пород хватит для проникновения через толщу находящихся в движении обрушенных массивов на глубину до 170 м.

Здесь изложены лишь некоторые фрагменты проблемы, которую можно считать одной из сложнейших при подземной разработке. Для кимберлитовых месторождений Якутии, характеризующихся большой сложностью и неоднородностью рудовмещающей осадочной толщи, проблема прогнозирования прорывов увлажненных и диспергированных песчано-глинистых или подобных им масс через подвижную зону обрушенных скальных пород может стать одной из ключевых при выборе технологии подземных очистных работ.

4.2.2. Схема Б может быть реализована в следующем порядке.

Как было отмечено выше, карьер дорабатывается до глубины 525 м без разноса бортов, например, с использованием Метода Юна. Затем возможны три варианта сооружения барьерного устройства между затопленным карьером и подземными горными вы-

работками.

Первый - наиболее простой в осуществлении, но и наиболее нерациональный с экономической точки зрения - оставление барьерного рудного целика. Определение его толщины - непростая геомеха-ническая задача. По прикидкам ВНИМИ - порядка 100 м.

Второй вариант - сооружение железобетонной арочной конструкции со дна карьера. Параметры ее (толщина, структура, радиус кривизны, прочностные характеристики, степень и метод заделки в породный массив, необходимость и степень гидроизоляции и др.) определяются решением соответствующих задач.

При третьем варианте с учетом климатических условий региона, начиная со дна карьера, сооружается (наращивается) ледяной массив до отметки кровли водоносного метегеро-ичерского комплекса или до нижней границы зоны вечной мерзлоты, которая выше в среднем на 25 м. Предварительно непосредственно на дне карьера может быть сооружена бетонная плита со слоем гидроизоляции. Не имея принципиальных сложно-

стей, при этом варианте открытым остается вопрос о возможности размыва или подтаивания полученной ледяной «пробки» подземными водами. Для решения этой задачи требуются соответствующие исследования.

После изоляции таким образом подземных выработок от вод затопленного карьера и водоносного комплекса, можно отрабатывать руду подземным способом системами с закладкой, начиная непосредственно от дна карьера.

Эффективность систем с закладкой (скорее всего - с твердеющей) во многом зависит от требований к прочности закладочных массивов: чем она меньше, тем ниже себестоимость руды и производительнее очистные забои. Среди характерных для этой ситуации геомеханических задач, в рассматриваемых условиях важным является учет влияния формы и размеров залежи на дифференцированное или в среднем более низкое требование к прочности закладки [1.2].

В заключение необходимо отметить, что в настоящей работе сделана, не претендующая на дос-

таточную полноту и глубину попытка анализа особенностей ким-берлитового месторождения «Мир», горно-геологические условия его залегания, горнотехническую ситуацию, сложившуюся в связи с необходимостью перехода с открытой на подземную разработку.

Большее внимание уделено геомеханическим проблемам, которые, являясь, как общими для комбинированной разработки, так специфическими для этого месторождения, необходимо решать при дальнейшей добыче руды. По некоторым из этих проблем приведены соображения по путям их решения. Однако показанные результаты, как наши, так и других авторов, нельзя считать рекомендациями для практики, т.к. требуется еще серьезная их доработка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казикаев Д.М. Геомеханические процессы при совместной и повторной разработке руд. - М.: Недра, 1981

2. Казикаев Д.М., Осипенко Ю.С. Разработка рудных месторождений под водными объектами. - М.: Недра, 1984

© Д.М. Казикаев