Геомеханическое обеспечение подземной разработки рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОЦЕССОВ

© Ло Ли, 2001

УДК 022.63 1 4 Ло Ли ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

В настоящее время в Китае существует более 900 государственных рудников. Годовая производительность составляет около 400 млн. тонн руды. Развитие горных технологий на рудниках характеризуется увеличением глубины разработки и объема очистных пространств, сложными горно-геологическими условиями. При этом резко ухудшаются условия эксплуатации месторождений в основном из-за увеличения горного давления. Поэтому появились новые задачи, связанные с геомеханическим обеспечением горных работ.

Геомеханическое обеспечение основывается на знании характеристик породных массивов и их напряженно-деформиро-ванного состояния. Развитие теории и практики геомеханики свидетельствует о том, что (1) определение механического состояния породных массивов сложного строения должно основываться на массовых измерениях трещиноватости и многопараметровых классификациях породных массивов; (2) наиболее универсальный и эффективный теоретический метод определения напряженно-деформированного состояния - это численный метод конечных элементов; (3) наиболее современным и перспективным методом натурного контроля устойчивости вмещающих пород горных выработок является метод акустической эмиссии горных пород (АЭ).

Поэтому в данном исследовании комплексно используются вышеописанные современные и эффективные геомеханические методы и средства (многопараметровая классификация массивов, численное моделирование, натурный контроль методом АЭ) для геомеханического обеспечения подземной разработки рудных месторождений в

типичных сложных горногеологических условиях.

1. Краткая горногеологическая характеристика блока №5 Шилин -240 м Фанькоуского свинцово-

цинкового рудника

Фанькоуский свинцовоцинковый рудник - один из самых больших подземных рудников Китая. За последние годы годовая производительность рудника составила более 1 млн т руды. До 1988 года на руднике использовали систему разработки с магазинированием руды и систему разработки горизонтальными слоями с закладкой. Для повышения эффективности производства и безопасности ведения горных работ на руднике после 1988 года применяют систему разработки VCR (система разработки с глубокой скважиной большого диаметра). На руднике блок №5 Шилин-240 м является опытно-промышленным.

Блок №5 Шилин-240 м залегает на отметке с -180 м до -240 м. Расстояние от поверхности земли до блока 300-360 м. Блок №5 находится в рудном теле №6 района Шилин. Простирание рудного тела с юга на север, направление падения на восток, угол падения более 80°, мощность рудного тела 5^40 м, средняя мощность 32 м.

В блоке №5 находятся следующие руды: пирит, галенит, сфалерит. Руда прочная, с коэффициентом крепости пород по М.М. Протодьяконо-ву f = 17. Кровля и почва рудного тела - известняк средней прочности f = 4^12. В рудном теле наблюдаются малые f1, f2 и большие F101, F102 сбросы, в которых находится цементированный минеральный заполнитель. Их положение показано на рис. 1. Сбросы F101 и F102 являются обращенными сбросами. Их мощность составляет 0,3-6,0 м. F102 имеет направление падения на юго-восток, угол падения 60 -80 . F101 имеет на-правление падения на северо-запад, угол падения 50°-70°, местами 20°-40°. На отметке -200 -220 м два сброса соединяются в один. В районе блока №5 гидрогеологические условия простые. Поверхность выработок является сухой или влажной, приток воды на 10 м длины выработки составляет 0-10 л/мин.

Рис. 1 Система разработки бло-Таблица 1 _ ка №5 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ИЗВЕСТНЯКОВ И РУДЫ

Название породы Модуль упругости Е МПа •Ю3 Коэфф. Пуассона Д RQD Объемная масса у, т/м3 Предел прочности, МПа

На одноосное сжатие, Осж На сдвиг От

Разноцветн. известняк 13,4 0,18 60 2,74 93,6 42,4

Оолитовый известняк 9,57 0,19 50 2,74 48,5 21,3

Г линистый известняк 10,2 0,21 55 2,88 80,8 14,1

Руда 11,7 0,21 65 4,0 95,8 —

На рис. 1. представлена система разработки блока №.5. Разрез по линии падения рудного тела

- рис. 1 а, по линии простирания - рис. 1 б. Длина блока перпендикулярна направлению простирания рудного тела и является мощностью этого тела. Ширина блока 9,5 м. Высота блока 62 м. Камера для бурения (1) находится на отметке -180 м. Длина камеры 35 м, ширина 12 м, высота 4 м. Буровзрывные работы ведутся по новой технологии VCR с использованием глубоких вертикальных скважин диаметром 165 мм. Отбойка руды осуществляется слоями вниз, используя шаровидные взрывпакеты, с образованием свободной горизонтальной поверхности. По этой технологии бурение скважин производится один раз, что позволяет экономить большую часть времени по передвижению бурильного оборудования, уменьшает объем работ по бурению и повышает эффективность технологии. Все работы по бурению, заряжанию, взрыванию осуществляются из одной камеры, а погрузка и перемещение руды ведутся пневмоколесным погрузчиком в подготовительной выработке (3). Поэтому в очистных выработках отсутствуют люди, что позволяет вести работы при максимальной безопасности. В процессе разработки сначала ведутся нарезные работы с образованием свободной поверхности (2) высотой 7 м. Далее проводят 3 этапа взрывов для послойной отбойки. Высота слоя отбойки 7^20 м. После выемки очистного пространства осуществляют закладку хвостами флотации. При закладке выработанного пространства ведется разработка соседнего блока. Между блоками оставляют целик шириной 10 - 12 м.

При использовании новой системы разработки было увеличено расстояние между этажами до 60 м. Также увеличено пространство для очистных работ размеры камеры для бурения. Поэтому

появились новые задачи, связанные с геомехани-ческим обеспечением горных работ.

2. Геомеханическая классификация породных массивов и определение параметров механических свойств породных массивов в блоке №5

Вмещающими породами блока №5 являются отложения свит пластов верхнего девонского периода: D3tb, D3tc. D3tb - оолитовый известняк; D3tc

- разноцветный и глинистый известняк. Висячим крылом сброса ^101 являются породы D3tb, а лежачим крылом - породы D3tb, D3tc и рудное тело. Лежачим крылом сброса F102 являются породы D3tb, висячим крылом - D3tb и рудное тело. Залегание известняка: направление падения 30 -80 , угол падения 30 -60 . Руды находятся рядом с сбросами F102 и F101. Руда залегает в лежачем крыле сброса F101 и в висячем крыле сбросов F102. Механические свойства различных известняков и руды показаны в табл. 1. Результаты получены по лабораторным испытаниям.

В блоке №5 наблюдаются много мелких трещин. Результат массовых измерений трещиноватости показал, что в блоке преимущественных направлений трещиноватости нет, т.е. трещины направлены во все стороны. Угол падения трещин лежит в пределах 12 -89 . Большинство трещин имеют угол падения более 60 . Густота трещин составляет 3-31 линий/м, преимущественно 5-7 линий/м. В блоке №5 трещины имеют слегка шероховатую поверхность, а их ширина примерно 0,5 мм. В рудном теле прерывистые трещины, а в известняках трещины не прерывистые. В разноцветном известняке и рудном теле стенки трещин являются твердыми, а в оолитовом и глинистом известняке стенки трещин мягкие. Эти трещины обычно имеют длину в несколько метров, и густо заполняют пространство

блока. Они сильно влияют на механические свойства породных массивов и рудных тел.

В настоящее время существует значительное число различных классификаций породных массивов. К наиболее распространенным относятся: классификации по Н. Бартону и по З. Бенявски. Н. Бартон анализировал данные измерений в естественных условиях в более 200 тоннелей и предложил Q, как показатель качества породных массивов. Q выводится из шести параметров [1]:

„ _ RQD Jг 3 у /и\

¿п ^ а SRF К 1

где Уп - показатель количества систем трещин; Уг - показатель шероховатости поверхности трещин; Уа - показатель выветрелости по трещинам;

- показатель степени обводненности трещин; SRF - коэффициент учета естественного напряженного состояния массива; RQD - показатель качества породы.

Согласно с показателем Q можно делить качество породных массивов на 9 классов. В соответствии с механическими свойствами пород и результатом массовых измерений трещиноватости в массиве блока №5 можно рассчитать эти показатели и определить Q. Результаты расчета показаны в табл. 2. Отсюда можно видеть, что разноцветный известняк и руда принадлежат к категории «хорошего» массива. А оолитовый и глинистый известняк относятся к категории «удовлетворительного» массива.

З. Бенявски предложил RMR, как показатель качества породного массива [2]:

Таблица 3

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА RMR

RMR-Rps+RRQD+Rdj+Rq+Rw+Roj

здесь Rps - параметр прочности на одноосное сжатие ненарушенной породы; RRQD - параметр показателя RQD; Rdj - параметр расстояния между трещинами; Rcj - параметр состояния трещин; Rw - параметр условий обводнения; R0j - параметр ориентации трещин.

Результаты расчета показаны в табл. 3, откуда можно видеть, что разноцветный, оолитовый, глинистый известняки и руда в блоке №5 относятся к категории «удовлетворительного» массива. Результаты классификации по З. Бенявски (RMR) и по Н. Бартону ^) массива блока №5 в основном совпадают.

Когда параметры деформируемости и прочности пород, установленные по результатам испытания породных образцов, принимаются в расчете численного метода, необходимо учитывать трещиноватость породных массивов. В соответствии с результатами массовых измерений трещиноватости и классификации в массиве можно определить пределы прочности массива методом Е. Хок [3]. Для определения модуля деформации Ем и коэффициента Пуассона цм массивов блока №5 используем метод К.В. Руппенейта [4]. Результаты расчета показаны в табл. 4.

3. Численное моделирование геомеханических процессов, исследование устойчивости выработок и рекомендации по мерам охраны блока №5

Для численного моделирования геомеханиче-ских процессов и исследования устойчивости выработок при разработке блока №5 выбираем

Название породы Оценка в баллах

Класси шкационные параметры RMR

1 2 3 4 5

Прочность ненарушенной породы RQD Расстояние между трещинами Характеристика трещиноватости Подземные воды

Разноцветный известняк 7 13 Таблин№4 20 7 57

Оолитовый известняк 4 13 МЕХАНИЧЕС СИЕ СВОЙСТВА ПОР( 1ДНЫХ МАС СИВОВ Е БЛОКЕ №5

^лйййст&й известняк 7 13 10 12 7 К9

„ ПОКАЗАТЕЛИ И РЕЗУЛЬТАТЫ Руда »АСЧЕТА у 13 Тип среды Модул201ефор- Коэфф. Пуа с- 57 Сцепление

Название породы Пара іетрі МПа 103 ^ МПа

RQD Jn = ^е — Ло— 9 3*1^ ЗКГ 0?5 ° 2,94

Разноцветный известняк 60 12 цте 0.7 5 8 СІ70 1.0 0?б 20 3,48

Оолитовый известняк 50 15 - юро^ы 0.7 “Т.0 1.0 ’] 9

Г линистый известняк 55 15 ^ппЛнит ‘ли 1 4 1?° _ С с .0 0,15

Рудное тело 65 15 1, 42 1 1.0 1.0 ' I 17

программу конечных элементов NCAP-2D. Программа NCAP-2D позволяет получать упругопластическое решение в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния в однородной и неоднородной среде, предназначена для линейной и нелинейной задач геомеханики. Нелинейность учитывает упругопластичность материала, контактные свойства трещины, слоистость породных массивов.

В соответствии с результатами испытания в естественных условиях и результатами определения параметров деформируемости массивов по методу К.В. Руппенейта, механические свойства породных массивов в блоке №5 показаны в табл.

4.

Для расчетов начальных напряжений в массиве используем гипотезу проф. А.Н. Динника о соотношении вертикальных О и горизонтальных О х, Оу напряжений. Для расчетов устойчивости выработок блока №5 используем критерий разрушения Друккера-Прагера. В области напряжений растяжения критерий разрушения имеет вид

а а рм .

Блок №5 значительно простирается по длине. Поэтому по ширине блока, через центр его длины делается сечение и строится близкая к условиям плоской деформации модель М1 из конечных элементов. Модель М1 имеет высоту 240 м, ширину 150 м, 432 узла, 458 элементов. В соответствии с технологией разработки блока №5 эксплуатационные состояния модели М1 показаны в табл. 5.

Таблица 5

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ МОДЕЛИ М1

Номер состояния Эксплуатационные состояния

N=1 Начальное напряженное состояние

N=2 Формирование камеры бурения и нарезного пространства, высота нарезного пространства 7 м

N=3 Первый большой взрыв - высота отбойки 20 м

N=4 Второй большой взрыв - высота отбойки 11 м

N=5 Третий большой взрыв - высота отбойки 6 м

Расчет ведется на персональном компьютере. Области разрушения в массиве показаны на рис. 2. В соответствии с результатами расчетов можно оценить области разрушения и ослабления и разработать меры охраны:

1) После эксплуатации камеры бурения кровля смещается, максимальное смещение достигает 1,36 см. Большая часть площади кровли камеры представляет собой область напряжений растяжения, максимальное напряжение растяжения -0,86 МПа. В середине кровли появляется область разрушения от напряжений растяжения с размером 4 м. Поэтому необходимо проводить анкерную крепь кровли камеры.

2) После эксплуатации камеры в почве около сбросов /1 и /2 появилась область разрушения от напряжений растяжения длиной 6 м. Южная часть почвы имеет небольшую область пластического деформирования.

3) После формирования нарезного пространства в окружающих породах область разрушения не появляется. Так как нарезная выработка располагается рядом с большим сбросом Fl02, предлагаем вести нарезные работы сначала в восточной и западной частях нарезного пространства, потом передвигать забой с востока и запада в центр с оставлением целика шириной 3 м. После проходки рудоспусков производится взрыв целика.

4) После первого большого взрыва на южной стене появилась небольшая область пластического разрушения высотой 4 м и глубиной 3 м. Меры охраны: после первого большого взрыва оставляют часть руды в очистном пространстве, чтобы стены очистного пространства имели меньшую площадь обнажения, что поможет сохранить устойчивость блока.

5. После второго большого взрыва на южной и восточной стенах очистного пространства появилась большая площадь пластического разрушения высотой 412 м и глубиной 3-9 м. На южной и северной стенах максимальное напряжение достигает 17,5 МПа. Меры охраны аналогичны мерам в пункте 4. После взрыва немедленно ведутся очистные работы, чтобы стенки не обнажались слишком долго.

6) После третьего большого взрыва северная стенка около сбросов /1 и /2 очистного пространства имеет большие области разрушения, близкие к почве камеры. В почве камеры тоже есть области разрушения, но эти две области

разрушения не соединяются. Если эти области разрушения будут простираться, то вероятно появление провала почвы камеры, поэтому необходимо контролировать состояние массива в камере методом акустической эмиссии горных

Рис. 2. Области разрушения в массиве после формирования камеры бурения и нарезного пространства, после первого, второго и третьего большого взрыва

пород и своевременно прогнозировать возможное обрушение.

7) Для отбойки целика высотой 9 м и шириной 5-13 м прово-

дится четвертый взрыв. После этого камера и очистное пространство соединяются, и объем выработанного пространства после выпуска руды из блока составляет 15 тыс. м3. Так как в блоке уже сформировались значительные области разрушения, необходимо быстрее выпустить руду из блока, и после выпуска руды сразу вести цементную закладку выработанного пространства, чтобы блок №5 целиком не обрушился.

4. Контроль устойчивости блока №5 методом акустической эмиссии горных пород

Из-за сложности структуры и текстуры породных массивов их напряженно-деформированное состояние прогнозируется любыми теоретическими методами с неизбежными погрешностями. Поэтому необходимо проводить контроль за поведением (деформирование, разрушение) подземных выработок. Своевременный контроль имеет важное значение для обеспечения безопасности ведения горных работ при разработки месторождений полезных ископаемых. Наиболее современным и перспективным методом натурного контроля является метод акустической эмиссии (АЭ). Методом АЭ можно прогнозировать внезапное разрушение массивов и контролировать устойчивость большой наблюдаемой области массивов.

В 1990 году в Чаншаском Научноисследовательском Горнорудном Институте успешно разработали и испытали при участии автора восьмиканальную сейсмоакустическую систему «SDL-1». По каждому каналу можно контролировать общее число импульсов, активность АЭ, частоту и энергию, также можно регистрировать время импульсов и форму волны АЭ. Эти данные можно сохранить на диске, после этого через стандартный разъем соединиться с компьютером и передать информацию в компьютер для дальнейшего анализа: локация источника события АЭ и спектральный анализ (исследования распределения амплитуды, энергии, частот, и фаз).

Скорость продольной волны является важным параметром для сейсмоакустической локации. В блоке №5 проводили эксперименты измерения скорости продольной волны. Результаты измерения показали, что скорости продольной волны составляет 4446 - 5306 м/с, средняя скорость 4842 м/с. В различных направлениях скорости продольной волны в массиве блока №5 разные. Разность скорости достигает 18 %, что является следствием анизотропии породного массива.

После окончания вышеописанной работы в течении разработки блока №5 производился сейсмоакустический контроль. Режим контроля один раз в два дня. Для контроля устойчивости почвы и очистного пространства в почве камеры бурения установлена первая группа датчиков №1

- №6, которые находятся в скважинах, заполненных водой для лучшего получения акустического сигнала. Для контроля устойчивости кровли камеры бурения в кровле установлена вторая группа датчиков №7 - №13, которые находятся в скважинах, заполненных смазкой «Литол» для лучшего получения акустического сигнала. В процессе контроля получили мало сигналов, это значит, что в блоке №5 массив устойчивый.

В течение разработки блока №5 только один раз произошло небольшое обрушение стены камеры бурения. За 12 дней перед обрушением первый раз получили сигнал АЭ. После этого при каждом контроле получали постоянный сигнал АЭ. Активность и коэффициент повышения активности приведены в табл. 6. Предел активности С=9,8 раз/мин.

Координаты положения обрушения стены в камере бурения блока №5 следующие: Х=431 м.,

Y=652 м., Z=-178 м. Полные сигналы каждого канала от источника АЭ показаны на рис. 3. Результаты расчета локации источника АЭ системой «SDL-І» следующие: Хр=432.7159 м.,

7р=654.5638 м., ZF=-179.4957 м. Поэтому по-

грешность между действительными координатами и расчетными не превышает 3 м.

Таким образом, данное исследование, построенное на комплексном использовании совре-

Рис. 3. Полные сигналы каждого канала от источника АЭ Ось абсцисс - время, 10-3.с, ось ординат - напряжение, В.

A - кратность усиления аппаратуры; DI -скорость переключения информации с аналоговой на цифровую А/D; Ti - время прихода сигнала на i-тый приемник; Vp - скорость продольной волны; Vp (AV) -средняя скорость продольной волны; X, Y, Z - координаты локации источника ______________ АЭ

Таблица 6

РЕЗУЛЬТАТ КОНТРОЛЯ АЭ ПЕРЕД ОБРУШЕНИЕМ

Число 14,06 16,06 18,06 20,06 22,06 24,06 26,06

№ п/п 1 2 3 4 5 6 7

С, раз/мин. 1,7 3,2 7,3 5,7 9,1 9,8 9,3

Rc - 0,88 3,29 2,35 4,35 4,76 4,47

менных и эффективных геомеханических методов и ный контроль методом АЭ), обеспечило надежность

средств (многопараметровая классификация масси- и безопасность разработки блока №5.

вов, численное моделирование разработки, натур-

1) Barton N., Lien R. And Lunde J. : Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support- Rock Mech., 6, 189-236,1974.

2) Введение в механику скальных пород. Под ред. Х.Бока. М.: Мир, 1983, 159-183 с.

3) Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1992, 51-55 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4) Hoek E. Estimating MohrCoulomb friction and cohesion values from the Hoek-Brown failure criterion. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.& Geomech. Abstr. Vol. 27, No.3, pp.227-229, 1990.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ло Ли - аспирант кафедры « Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный университет (из Чаншаского научно-исследовательского горнорудного института КНР).

^^