Мониторинг геомеханического состояния при освоении жильных месторожений

УДК 622.831

МОНИТОРИНГ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ОСВОЕНИИ ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖЕНИЙ

© Е.Л. Сосновская1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обосновывается мониторинг геомеханического состояния массива горных пород, горных выработок и целиков при разработке жильных месторождений. Рекомендуются специальные технические мероприятия по обеспечению эффективности и безопасности горных работ. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.

Ключевые слова: мониторинг геомеханического состояния; освоение месторождений; геомеханическое состояние; физико-математические модели; служба геомеханического мониторинга.

GEOMECHANICAL CONDITION MONITORING WHEN DEVELOPING VEIN DEPOSITS E.L. Sosnovskaya

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper justifies the monitoring of geomechanical condition of rock massifs, mines and pillars when developing vein deposits. Special technical measures are recommended to ensure mining efficiency and safety. 1 table. 12 sources.

Key words: monitoring of geomechanical condition; deposit development; geomechanical condition; physical and mathematical models; geomechanical monitoring service.

При освоении жильных месторождений возникают опасные проявления сдвижения горных пород, роста горного давления. Отмечаются разрушения кровли выработок и очистных камер, обрушения целиков, что приводит к снижению безопасности горных работ, дополнительным затратам на проведение и крепление выработок, увеличению потерь полезного ископаемого и разубоживания руды. В целях обеспечения безопасности горных работ необходимо своевременно регистрировать проявления геомеханических процессов, следить за их развитием и оценивать степень их опасности. Возникает актуальная необходимость организации и проведения мониторинга геомеханического состояния массива горных пород при разработке таких месторождений.

Автор обосновал систему геомеханического мониторинга для условий жильных месторождений на основе концепции проф. М.А. Иофиса, проф. А.Б. Макарова и др. [1, 2]. Система мониторинга включает следующие обязательные компоненты:

• изучение геомеханического состояния массива горных пород: физико-механических свойств пород и руд; природных (первоначальных) напряжений горного массива на основе геоинформационных исследований формирования тектонических структур и натурных определений напряжений в горных выработках; потенциальной удароопасности горных выработок; температурного режима шахтного поля с определением зон с различным криогенным состоянием (участки многолетнемерзлых пород, переходные зоны много-летнемерзлых пород в талые, талые породы) и др.;

• разработку физико-математических моделей горных массивов и контролируемых геомеханических

процессов на основе выявленных закономерностей их геомеханического состояния в период разработки месторождения;

• обоснование опасных участков месторождения, выбор и расчет параметров устойчивых элементов систем разработки;

• организацию на рудниках службы геомеханического мониторинга (службы сдвижения, горного давления, прогноза и профилактики горных ударов);

• проектирование и закладку наблюдательных станций напряженно-деформированного состояния в конструктивных элементах систем разработки на опасных участках, разработку методов и методик инструментальных маркшейдерских наблюдений, выбор приборов и инструментов;

• проведение инструментальных и визуальных наблюдений на наблюдательных станциях службами геомеханического мониторинга рудников при методическом руководстве специализированной организации, ведущей научные исследования горного давления;

• текущий контроль устойчивости горных выработок и очистных камер, потенциальной удароопасности на опасных участках с целью своевременного принятия технических мер по предотвращению вредных процессов горного давления и горных ударов, предупреждения экологических катастроф;

• сравнительную оценку расчетных и измеренных величин напряжений и деформаций в конструктивных элементах систем разработки и корректировку прогнозно-критических значений наблюдаемых параметров и принятых физико-математических моделей;

• контроль реализации принятых технических мер

1Сосновская Елена Леонидовна, кандидат геолого-минералогических наук, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu Sosnovskaya Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu

и их корректировку с целью обеспечения повышения безопасности и эффективности разработки месторождений, снижения уровня потерь полезного ископаемого при рациональном использовании недр.

Геомеханическое состояние горных массивов изучалось на Березовском, Дарасунском, Холбинском, Ирокиндинском, Ново-Широкинском, Майском, Бирка-чанском и других рудниках [3-6]. На основе исследований составлена матрица среднестатистических первоначальных напряжений горных массивов жильных золоторудных месторождений [6], обоснована классификация состояний массива горных пород по степени его устойчивости [7].

Разработаны физико-математические модели горных массивов с учетом дискретного пространственного положения средне- и высоконапряженных зон в горном массиве [3, 5]. Усовершенствованы инженерные методики расчета параметров устойчивых целиков и обнажений камер на различных стадиях выемки запасов жильных месторождений. Широко использованы методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния горных выработок и очистных камер методом конечных элементов (программный комплекс FEM проф. О.В. Зоте-ева), методом граничных сингулярных уравнений (программа ELAST-2 проф. В.И. Машукова). Предложено контролировать геомеханические процессы в период разработки месторождения на опасных участках (высоконапряженные зоны) путем инструментальных измерений деформаций и напряжений в горных выработках и очистных камерах. Определены параметры устойчивых целиков и обнажений камер, крепления горных выработок и кровли в эксплуатационных блоках для условий горных работ в средне- и высоконапряженных зонах [4, 8, 9].

На Березовском, Холбинском и Ирокиндинском рудниках организованы службы сдвижения и горного давления, на Дарасунском руднике - служба прогноза и профилактики горных ударов. Разработаны и утверждены в соответствующем порядке положения этих служб. Для исследуемых рудников разработаны типовые проекты закладки наблюдательных станций. В проектах уточнены контролируемые параметры, произведен выбор маркшейдерских инструментов, уточнены методики и периодичность наблюдений.

В горных выработках I, II, III категорий охраны представляется возможным измерять деформации пород в кровле и стенках, оценивать напряжения горных пород методом щелевой разгрузки, а также электрометрическим и акустическим методами.

Измерения деформаций горных пород предлагается производить по заложенным профильным линиям реперов, парным реперам. Периодичность замеров - один раз в квартал. Измерения напряжений щелевой разгрузкой рекомендуется производить после установления факта опасности охраняемого участка по результатам регионального и локального прогнозов геомеханического состояния на основе анализа установленных закономерностей формирования тектонических структур и визуального обследования выработок. После измерения напряжений разгрузочные щели

оборудуются как датчики напряжений для контроля напряжений участка во времени.

Оценку напряженного состояния опасных участков выработок электрометрическим и акустическим методами предлагается производить в период маркшейдерских измерений по заложенным профильным линиям реперов и парным реперам. Контролируемыми параметрами являются деформации горных выработок и напряжения пород в их кровле и стенках.

В случае выявления динамических проявлений горного давления (стреляние, толчки, микроудары) оценку напряженного состояния необходимо производить методами: по оценке дискования керна, электрометрии, акустическим, визуальным и др.) [10,11]. Прогноз предложено проводить в наиболее нагруженных участках:

участки массива, сложенные наиболее упругими вмещающими породами (кварцевые диориты, амфиболиты, гранодиориты, порфиты, граниты, плагиогра-ниты, габбро-амфиболиты и т.п.);

участки на контактах пород;

геологические нарушения, разломы и участки, прилегающие к ним;

целики (подштрековые, надштрековые, охранные и др.);

обнажения висячего и лежачего боков после выемки запасов и образования незаложенных пустот;

безрудные зоны (непромышленные запасы), оставленные в выработанном пространстве;

выступающие части массива (острые углы в местах сопряжений и т.п.);

все горные выработки, попавшие в зону опорного давления очистных работ.

На установленных опасных участках выемки запасов представляется возможным измерять деформации вблизи очистных камер по заложенным профильным линиям реперов и парным реперам, заложенным в штреках и квершлагах. Напряжения в целиках целесообразно измерять методом щелевой разгрузки, электрометрическим и акустическим методами. Контролируемыми параметрами являются деформации горных выработок и напряжения целиков.

На каждом участке отрабатываемых месторождений Служба геомеханического мониторинга должна определять зоны опасного влияния горных разработок в соответствии с требованиями Временных правил охраны сооружений, природных объектов и горных выработок [12]. Все сооружения по своему значению, конструктивным особенностям, характеру эксплуатации и характеру повреждений при подработке разделяются на три категории охраны (таблица).

Меры охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок выбираются в зависимости от категории охраны объектов, ожидаемых деформаций земной поверхности, конструктивных особенностей сооружения, характера эксплуатации и установленного оборудования, гидрогеологических условий. Защита подрабатываемых объектов может осуществляться путем оставления предохранительных целиков, горных и конструктивных мероприятий и вспомогательных мер.

Категории охраны горных выработок и ориентировочные значения допустимых деформаций

Ориентировочные значения допустимых деформаций

Перечень выработок Тип крепи растяжение (+), сжатие (-) 1  10-3 средний наклон, 1-10-3 оседание, мм смещение (сдвиг), мм

I категория

Главные вертикальные шахтные

стволы с механическим подъемом

(рудоприемные) для спуска и подъ- Бетонная -0,3 2,0 20 20

ема людей, в том числе «слепые»,

основные вентиляционные стволы

Основные околоствольные выработ- Бетонная +1,0 - 20 20

Деревянная 50 50

ки, подземные камеры с механическим подъемом Штанговая - - - -

Анкерная - - - -

II категория

Бетонная

Вспомогательные стволы (лесо-спускные, вентиляционные и др.), Деревянная - - 100 100

капитальные рудоспуски Штанговая

Анкерная

Главные откаточные квершлаги и Бетонная +2,0 - 50 -

штреки, основные подземные каме- Деревянная 100 100

ры, склады ВМ, электровозное депо, Штанговая - - - -

подземные мастерские Анкерная - - - -

III категория

Блоковые восстающие, гезенки, раз- Деревянная - - 200 200

ведочные вентиляционные и служа- Штанговая - - - -

щие запасными выходами шурфы Анкерная - - - -

Вспомогательные квершлаги и штре- Деревянная 300 300

ки, откаточные орты и заезды основ- Штанговая - - - -

ного горизонта, подземные камеры бытового и подсобного назначения Анкерная - - - -

Мероприятия по охране сооружений должны обеспечивать:

• безопасность людей, находящихся в местах расположения охраняемых объектов, занятых на их эксплуатации или проживающих в этих объектах;

• безопасность ведения горных работ;

• соответствующую сохранность объектов, обеспечивающую их бесперебойную эксплуатацию;

• недопущение излишних потерь или консервации запасов;

• недопущение неоправданного преждевременного сноса и переноса сооружений.

Опасные зоны выделяются на основе регионального и локального прогноза средне- и высоконапряженных участков, инструментальных маркшейдерских наблюдений, визуальной оценки проявлений процессов сдвижения и горного давления.

В процессе исследований разработаны технические решения по обеспечению устойчивости эксплуатационных блоков: выемка лентами длиной 10-20 м; создание потолочины шатровой формы и по мере необходимости разгрузочных щелей; упрочнение стенок камер анкерным и анкерно-тросовым креплением; создание элементов искусственной податливости в потолочине и междукамерных целиках; поддержание кровли крепежными стойками; погашение пустот регулируемым самообрушением [4, 6, 8, 9].

Основные выводы и рекомендации исследований по проблеме геомеханического мониторинга использованы в Указаниях по организации комплексного мониторинга геомеханического состояния горного массива Зун-Холбинского и Ирокиндинского месторождений ОАО «Бурятзолото».

Библиографический список

1. Геомеханика: учеб. пособие / Э.В. Каспарьян [и др.]. М.: Высшая школа, 2006. 503 с.

2. Макаров А.Б. Практическая геомеханика: пособие для горных инженеров. М.: Горная книга, 2006. 391 с.

3. Сосновская Е.Л. Геометрические модели естественного

напряженного состояния массива горных пород золоторудных месторождений / А.М. Павлов, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская [и др.] // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010. № 5. С. 41-45.

4. Сосновская Е.Л. Геоинформационное моделирование

напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки крутопадающих жильных месторождений // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С.155-158.

5. Филонюк В.А., Сосновский Л.И., Сосновская Е.Л. Механизм возникновения и закономерности пространственного распределения участков с относительно высокой и невысокой степенью естественной напряженности в горном массиве // Вестник ИрГТУ. 2006. № 2. С. 93-97.

6. Сосновская Е.Л., Сосновский Л.И. Прогноз потенциальной удароопасности жильных золоторудных месторождений на стадии строительства рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ. 2011. № 5. С. 94-101.

7. Сосновская Е.Л., Филонюк В.А. Классификация горных пород по степени устойчивости в горно-геологических условиях золоторудного месторождения Майское // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ. 2011. № 4. С. 113-123.

8. Сосновская Е.Л. Опыт моделирования техногенных напряжений и прогноз геодинамической и экологической безопасности при освоении Майского месторождения // Гор-

ный журнал. Известия вузов. 2010. № 5. С. 45-51.

9. Ясыченко В.Б., Сосновская Е.Л. Обоснование параметров геотехнологии крутопадающих жил Ново-Широкинского месторождения // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. Известия вузов. Изд-во УрГГУ. 2010. № 5. С. 52-57.

10. Указания по безопасному ведению горных работ на Да-расунском месторождении, склонном к горным ударам / Л.И. Сосновский, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 94 с.

11. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99) / Колл. авторов. М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. 66 с.

12. Временные правила охраны сооружений, природных объектов и горных выработок от вредного влияния подземных горных разработок на золоторудных месторождениях. Иркутск, 1994. 76 с.

УДК 622.831

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВЫХ ОБНАЖЕНИЙ КРОВЛИ И МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СЮКЕЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГИПСА

1 9

© Л.И. Сосновский', А.Н. Авдеев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приводятся результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки Сюкеевского месторождения гипса. Предложены размеры пролетов камер и междукамерных целиков. Ил. 3. Табл. 4. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова и словосочетания: месторождение гипса; камерно-столбовая система разработки; моделирование НДС; параметры геотехнологий.

REASONING PARAMETERS OF STABLE ROOF EXPOSURES AND INTERVENING PILLARS WHEN DEVELOPING SYUKEEVSKOE GYPSUM DEPOSIT L.I. Sosnovsky, A.N. Avdeev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The article presents the results of mathematical modeling of the stress-strain states of the structural elements of the room-and-pillar system of Syukeevskoe gypsum deposit. The sizes for chamber spans and intervening pillars are proposed.

3 figures. 4 tables. 2 sources.

Key words: gypsum deposit; room-and-pillar system; stress-strain state modeling; parameters of geotechnologies.

Продуктивная толща Сюкеевского месторождения слагается двумя пластами гипса, залегающими на довольно значительных глубинах от дневной поверхности. Разрабатывается верхний пласт. Вмещающие породы над пластом представлены глинами, в почве пласта - доломитами. Средняя мощность пласта 6-7

м. Верхняя часть гипсовой пачки и перекрывающая ее толща выветрелых глинистых мергелей относятся к категории неустойчивых, а гипс и доломиты - средней устойчивости и устойчивых. Проектом института ОАО «Иргиредмет» предусмотрено выемку запасов производить камерно-столбовой системой разработки.

1 Сосновский Леонид Иннокентьевич, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu

Sosnovsky Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Exploitation of Mineral Deposits, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu

2Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor@istu.edu

Avdeev Arkady, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor@istu.edu