Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных жил малой мощности

стандартизация и сертификация: учебник: серия «Профессиональное образование». М.: НИЦ «ИНФРА-М», 2004. 256 с.

3. Компаниец С.В., Кожевников Н.О., Антонов Е.Ю. Проявление и учет индукционно-вызванной поляризации при изучении осадочного чехла юга Сибирской платформы методом ЗСБ // Геофизика. 2013. № 1. С. 35-40.

4. Метод переходных процессов при изучении геологических сред с магнитной вязкостью / Н.О. Кожевников, Е.Ю. Антонов, Г.Г. Матасова, Я.К. Камнев // Геофизический журнал. 2012. № 4. С. 137-149.

5. Применение программных комплексов GeoEM и WebGEM для решения научных и практических задач геологоразведки / М.Г. Персова, Ю.Г. Соловейчик, М.Г. Токарева, Е.Д. Алек-санова [и др.] // Научный вестник НГТУ. 2013. № 4 (53) С. 12-23.

6. Тищенко И.В., Тищенко А.И., Жуков А.А. Алгоритмы и критерии оценки качества полевых сейсмических записей // Технологии сейсморазведки. 2011. № 2. С. 40-49.

7. Тригубович Г.М. Электромагнитная разведка становлени-

ем поля наземного и воздушного базирования: новая концепция и результаты // Материалы Пятой Всероссийской школы-семинара имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли: сб. тезисов. В 2-х кн. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. Кн. 1. С. 118-132.

8. Черемисина Е.Н., Любимова А.В. Новые информационные технологии в мониторинге использования природных и энергетических ресурсов // Решения для бизнеса: нефть, газ и энергетика: материалы четвертой конференции [Электронный ресурс]. URL: http://www.bsol.ru/energy/data/2013/presen-tations/4eremisina.pdf (01 марта 2015).

9. Шарлов М.В., Агафонов Ю.А., Стефаненко С.М. Современные телеметрические электроразведочные станции SGS-TEM и FastSnap // Приборы и системы разведочной геофизики. 2010. № 1. С. 27-31.

10. Электроразведка: пособие по электроразведочной практике для студентов геофизических специальностей / под ред. В.К. Хмелевского, И.Н. Модина, А.Г. Яковлева. М.: Изд-во МГУ, 2005. 311 с.

УДК 622.831

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ НАКЛОННЫХ ЖИЛ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

© Е.Л. Сосновская1

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

Усовершенствована методика оценки напряженно-деформированного состояния в очистных камерах и междуэтажных целиках при выемке наклонных рудных жил системами с открытым очистным пространством. Разработаны номограммы коэффициентов концентрации напряжений в кровле и целиках при выемке наклонных жил на основе моделирования методом конечных элементов. Обоснованы рациональные параметры целиков и обнажений камер. Предложены мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатационных блоков на больших глубинах.

Ключевые слова: наклонные жилы; очистные камеры и целики; коэффициенты концентрации техногенных напряжений; мерзлые породы.

PARAMETER SUBSTANTIATION OF INCLINED THIN ORE VEIN UNDERGROUND MINING TECHNOLOGY E.L. Sosnovskaya

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Russia.

The methods to estimate stope and floor pillar stress-strain state under open stope system of inclined thin ore vein mining is improved. On the basis of finite element modeling the nomograms of the coefficients of stress concentration in the roof and pillars under inclined vein excavation are developed. Rational parameters of pillars and room exposure are justified. The measures to ensure mining security in deep producing blocks are proposed. Keywords: inclined ore veins; chambers and pillars; techogenic stress concentration coefficients; frozen rocks.

При проектировании и строительстве горнодобывающих предприятий одной из актуальных проблем является выбор рациональных параметров конструктивных элементов систем разработки месторождений, на которые влияют глубина залегания, форма и размеры рудных тел, тектоническая нарушенность и тре-щиноватость, физико-механические свойства рудных тел и вмещающих пород, природное напряженное состояние горного массива и другие горногеологические факторы. При прохождении горных вы-

работок и очистных камер происходит изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Для обеспечения безопасной отработки месторождения необходимо при оценке устойчивости конструктивных элементов систем разработки и обосновании их рациональных параметров учитывать напряженно-деформированное состояние массива горных пород вблизи очистных камер и целиков.

Автором проведено исследование техногенных

1Сосновская Елена Леонидовна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu

Sosnovskaya Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu

напряжений в окрестности очистных камер при отработке наклонных рудных тел малой мощности для условий Майского золоторудного месторождения (Чукотка). Рудные тела месторождения представляют собой линейно вытянутые в субмеридиальном направлении оруденелые зоны дробления и смятия алевролитов, песчаников и сланцев. В плане месторождение представлено полями значительных размеров (500-1000 м). Глубина распространения запасов местами достигает 800 м. Мощность рудных тел изменяется от 0,9 до 5,3 м, составляя в среднем 2,5-3,7 м. Основная часть запасов месторождения сосредоточена в рудных телах мощностью до 3,0 м.

Месторождение находится в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Минимальная мощность криогенной толщи составляет 190 м, максимальная - 320 м, достигая наибольших значений под водоразделами.

Около 77% рудных тел являются крутопадающими с углами падения от 55° до 90° и около 23% - наклонными рудными телами с углами падения менее 55°. Результаты исследований техногенных напряжений крутопадающих рудных тел Майского золоторудного месторождения приведены в работе [3].

Отработку запасов наклонных жил мощностью 1-3 м на Майском золоторудном месторождении предусматривается производить сплошной системой разработки с выемкой руды полосами и обрушением налегающих пород (рис. 1).

МПа. В образце руд предел прочности на сжатие -77,7 МПа, на растяжение - 10,5 МПа. Плотность у пород и руд, в среднем, составляет 2770 кг/м3, в том числе вмещающих пород - 2790 кг/м3, руды - 2750 кг/м3. Породы трещиноватые. Количество трещин на 1 м составляет 2-6, расстояние между трещинами 0,10,65 м. Модуль деформации горного массива для вмещающих пород равен 8,7 ГПа, для рудных тел он изменяется в пределах от 9,5 до 10,2 ГПа.

Значения природных напряжений определялись по результатам натурных исследований по методике Института горного дела Уральского отделения РАН (ИГД УрО РАН) методом щелевой разгрузки [1]. На исследуемых глубинах вертикальные напряжения составляют

°в =-уМ,

где у - плотность пород и руд, МН/м ; Н - глубина горных работ, м; знак «минус» означает сжатие пород.

Напряжения, действующие по простиранию рудных тел (продольные), составляют 0,9 оВ, а поперечные напряжения (действующие вкрест простирания рудных тел) - 1,0 оВ. На глубинах 200-600 м вертикальные напряжения составляют ов =уН; продольные напряжения опр - 1,0 оВ ; поперечные напряжения Оп - 1,6 Ов.

Исследование напряженно-деформированного состояния очистных камер и целиков проводилось для следующих горногеологических и горнотехнических условий: мощность жилы - 1-3 м; угол падения

Рис. 1. Сплошная система разработки с выемкой руды полосами по восстанию и обрушением налегающих пород: 1 - штрек откаточный; 2 - штрек вентиляционный; 3 - блоковый восстающий; 4 - ниша для скреперной лебедки

Физико-механические свойства руд и пород изучались в лаборатории геомеханики и физики горных пород Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) [1, 2]. Были определены следующие характеристики: коэффициент Пуассона у пород

- 0,26, руд - 0,25; начальный угол внутреннего трения

- 27°; сцепление пород - 14,6 МПа, руд - 17,0 МПа. Породы и руды месторождения средней крепости. По шкале проф. М.М. Протодьяконова коэффициент крепости пород - 10, руд - 8. В образце пород предел прочности на сжатие - 105 МПа, на растяжение - 18,8

30-45°; высота этажа - 40-60 м; глубина разработки Н - 200-600 м; количество отрабатываемых этажей -1-2.

Техногенные напряжения на контуре наклонных очистных камер с учетом первоначального напряженного состояния массива горных пород предложено определять по следующим формулам [4]:

- на глубинах до 200-300 м

CT¡ =-

- на глубинах свыше 200-300 м

-1.6ky)7H,

где ст; - полное напряжение в i-й точке контура выработки, МПа; kyi, kxi - коэффициенты концентрации от единичных нагрузок в i-й точке контура выработки вертикального и горизонтального напряжений соответственно.

Коэффициенты концентрации kyi и kxi определены на основе моделирования методом конечных элементов по программному комплексу FEM, разработанному ИГД УрО РАН для наиболее напряженных участков контура камер, - середины кровли камеры (точки 2 на рис. 2), стенок камеры (точки 1 на рис. 2) и между-

этажных целиков (точки 3 на рис. 3). Коэффициенты моделировались для условий отработки одним и двумя этажами, при угле наклона рудного тела 30° и 45°, выемочной мощности рудного тела 1-3 м. На основе обобщения результатов моделирования разработаны номограммы коэффициентов концентрации техногенных напряжений в кровле, стенках и междуэтажных целиках на различных стадиях выемки запасов (рис. 3-5). Следует отметить, что значения коэффициентов Кх и Ку при угле наклона камеры 45° будут одинаковы (рис. 3).

Рис. 2. Схемы моделей выемки наклонных рудных тел: а - для условий отработки одного этажа; б - для условий отработки двух этажей. I - длина камеры по падению при отработке одного этажа; 1в - длина камеры по падению верхнего этажа; 1н - длина камеры по падению нижнего этажа; т - выемочная мощность жилы; Ь - толщина междуэтажного целика; а - угол падения жилы; 1 - стенка камеры;

2 - кровля камеры; 3 - междуэтажный целик

i 4 9 < ; ( » 10 1t 12 1J 14 1S И 17 II 1» J0

б г

Рис. 3. Коэффициенты Кх

а

в

а б

Рис. 4. Коэффициенты Кх и Ку: а - в кровле; б - в стенке очистной камеры при угле наклона жилы к горизонту 30° при выемочной мощности 1-3 м в условиях отработки одного этажа

а б

Рис. 5. Коэффициенты Кх и Ку: а - в кровле очистной камеры; б - в междуэтажном целике при угле наклона жилы к горизонту 30° при различной выемочной мощности в условиях отработки двух этажей

Следует отметить, что междуэтажные целики находятся в условиях объемного напряженного состояния. Значения напряжений, полученные по формулам (2), (3), корректировались по методике проф. А.В. Зубкова (ИГД УрО РАН) на основе зависимости

^ =\°7Л ]• ,

где (гцел - техногенные напряжения в междуэтажном целике, полученные по формулам (2) и (3), МПа; коб -коэффициент перехода от плоской к объемной геомеханической задаче, зависящий от соотношения размеров выработанного пространства по простиранию и падению рудного тела [5].

Для принятых размеров очистной камеры коб составит 0,52, что меньше исходных примерно в 2 раза (рис. 1).

Полученные расчетные значения техногенных напряжений сравнивались с допустимыми, которые вычислялись по формулам: - для целиков

• К • Кф К.

- для кровли

об тг .кр _ СТ  Кс

СТдоп

К

об

где а - предел прочности на сжатие или растяжение горных пород в образце, МПа; Кс - коэффициент структурного ослабления; Кдл - коэффициент длительной прочности; Кф - коэффициент, учитывающий

геометрические размеры целика (коэффициент Цер-на).

Коэффициент Кф определяется из выражения

Кф =J-

V m

где 11ц - высота целика, м; т - выемочная мощность жилы, м.

Коэффициент структурного ослабления Кс определялся с учетом наличия мерзлоты по следующей методике [6]:

1 .... .

К =-

- + 0.315 + Д

0.53

где I - линейный размер оцениваемого на прочность участка массива, м; 1бл - линейный размер структурного блока, м; А - коэффициент, учитывающий влияние отрицательных температур.

Коэффициент А предложен для условий мерзлых пород в размере 0,4, для талых пород - 0. Применяя дополнительный коэффициент А, расчетный коэффициент структурного ослабления увеличивается, в условиях многолетнемерзлых пород он составляет 0,8. В процессе повышения температуры сцепление мерзлых пород уменьшается. В талых породах коэффициент Кс=0,4, то есть наличие вечной мерзлоты

значительно упрочняет горные породы [6].

Коэффициент длительной прочности Кдл , определенный по методике, предложенной Институтом физики и механики горных пород АН Киргизской ССР [5], составляет для исследуемых условий 1,4-1,5.

В кровле камер выявлены растягивающие напряжения. Допустимые напряжения на растяжение в кровле камер составили в условиях мерзлоты (до глубин 200-300 м) 6 МПа, в талых породах (300-800 м) -3 МПа.

Допустимые напряжения в целиках зависят, в основном, от следующих горногеологических и горнотехнических условий: мощности рудного тела, толщины целика, криогенного состояния пород. Установлено, что допустимые напряжения больше в мерзлых породах, чем в талых. Они возрастают с увеличением толщины целика и уменьшением мощности жилы (табл. 1).

Анализ результатов определения техногенных напряжений в кровле очистных камер, рассчитанных по вышеприведенной методике (рис. 6, 7), позволяет отметить следующее.

При разработке наклонных рудных тел напряжения в кровле камер являются растягивающими. Небольшие изменения угла наклона жилы в пределах 15° незначительно влияют на значения напряжений. Можно отметить, что при увеличении угла наклона жилы напряжения несколько увеличиваются. Коэффициенты концентрации напряжений в кровле при выемочной мощности 1-3 м несущественно отличаются друг от друга (рис. 3-5), поэтому на рис. 6, 7 приведены напряжения для средних условий - выемочной мощности наклонных жил 2-3 м.

Значения допустимых напряжений в междуэтажных целиках

Таблица 1

Криогенное состояние массива горных пород Выемочная мощность, м Толщина междуэтажного целика, м

2 3 4 5 6 7 8 9

Мерзлое 1 -59 -72 -83 -93 -102 -110 -117 -124

2 -41 -51 -59 -66 -72 -78 -83 -88

3 -34 -41 -48 -53 -59 -63 -68 -72

Талое 1 -29 -36 -41 -46 -51 -55 -59 -62

2 -21 -25 -29 -33 -36 -39 -41 -44

3 -17 -21 -24 -27 -29 -32 -34 -36

Рис. 6. Техногенные напряжения в кровле камеры при отработке одного этажа: 1 - для угла наклона жилы 45°; 2 - 30°; 3 -линия допустимых напряжений с учетом криогенного состояния;

Н - глубина горных работ, м

3 4 6 6 7 в э

Рис. 7. Техногенные напряжения в кровле камеры при отработке двух этажей при угле наклона жилы 45°: 1, 2, 3 - напряжения на глубинах 200, 400, 600 м соответственно; 4 - линия допустимых напряжений в мерзлых породах; 5 - линия допустимых напряжений в талых породах; Ицел - высота междуэтажного целика, м

Установлено, что на небольших глубинах - до 200 м, напряжения в кровле камеры, в основном, не превышают допустимых значений, составляющих для мерзлых пород 6-7 МПа (рис. 6, 7).

С понижением горных работ и появлением талых пород техногенные напряжения в кровле камер начинают превышать допустимые, равные 3-4 МПа. Таким образом, кровля будет характеризоваться неустойчивым состоянием. Глубина зоны растягивающих

кр

напряжений (разрушающегося слоя) при &доп =3 МПа для талых пород составляет 3-4 м (рис. 8).

Устойчивость кровли очистных камер в таком случае можно обеспечить поддержанием пород кровли крепежными стойками или анкерами, погашением отработанных камер регулируемым самообрушением.

Анализ техногенных напряжений в целиках позволяет отметить, что напряжения имеют сжимающий характер и значительны по величине (рис. 9-10).

Рис. 8. Зона растягивающих напряжений (МПа) в окрестности очистной камеры. Параметры модели: выемочная мощность жилы - 2,5 м; угол наклона - 45'; глубина горных работ - 600 м

100

200

зоо

400

500

600

700

SOO

-50

• 100

-150

-200

-250

Н,м

......

II — - - 1П IV- — .

41 ч.

ГУ, МПа

Рис. 9. Техногенные напряжения в стенке очистной камеры при отработке одного этажа и выемочной мощности 2 м: 1 - для угла наклона жилы 45°; 2 - 30°; I, II, III, IV - линии допустимых напряжений с учетом криогенного состояния пород для суммарной толщины подштрекового и надштрекового целиков 2, 4, 6, 8 м

Рис. 10. Техногенные напряжения в междуэтажном целике при отработке двух этажей при выемочной мощности 2 м; 1, 2, 3 - на глубине горных работ 200, 400, 600 м соответственно; I, II - линии допустимых напряжений

в мерзлых и талых породах

При отработке одного этажа и выемочной мощности 2 м на глубинах до 200 м достаточно оставлять целик высотой 2-3 м, на глубинах до 300 м - 4-6 м, до 350 м - 6-8 м (рис. 11, а). В этом случае напряжения в междуэтажном целике будут меньше допустимых. При выемочной мощности 1 м устойчивость целиков повышается: устойчивым будет целик высотой 2-3 м до глубин 300 м, 4 м - до глубин 320 м,6 м - до 360 м, 8-9 м - 370-400 м. При мощности рудного тела 3 м, наоборот, устойчивость целиков снижается. Устойчи-

выми будут целики толщиной 2-3 м на глубинах до 200 м, 4 м - до 280 м, 6 м - до 300 м, 8 - до 320 м, 10 - до 350 м.

При отработке двух этажей (рис. 11, б) целики 2-4 м будут устойчивы на глубинах 220-300 м, 4-6 м - 300-320 м, 6-8 м - 350-400 м, 10 м - более 400 м. При увеличении мощности рудного тела с 1 до 3 м устойчивость целиков также несколько снижается. Это происходит, по всей видимости, из-за влияния коэффициента формы Церна.

500

400 -

300

200

100

Н, м . ч г"» **•"*"

^ Т*»"*"" "

___ — '.-**"

_ —.. - - J

Ьцел, м

8

10

б

Рис. 11. Прогнозные значения толщины устойчивых подштрековых и надштрековых целиков Ьцел при различной глубине горных пород Н: а - при отработке одного этажа; б - при отработке двух этажей. 1, 2, 3 - при мощности рудного тела 1, 2, 3 м соответственно

а

Таблица 2

Параметры целиков при системах разработки наклонных рудных тел малой мощности _с открытым очистным пространством_

Отработка одного этажа Отработка двух этажей

Глубина разработки, м Мощность рудного тела, м Над-штрековый целик, м Под-штрековый целик, м Междукамерный целик, м Мероприятия по обеспечению устойчивости блока Над-штрековый целик, м Подштре-ковый целик, м Междукамерный целик, м Мероприятия по обеспечению устойчивости блока

1 2 2 6 2 2 6 Поддер-

До 200 2 2 2 6 2 2 6 жание

3 3 3 6 Поддер- 3 3 6 кровли

1 2 2 6 жание 3 3 6 крепежны-

200-400 2 2 2 6 кровли 3 3 6 ми стойка-

3 3 3 6 крепеж- 3 4 6 ми;

1 3 3 6 ными 3 3 6 погашение

2 3 3 6 стойками 3 4 6 пустот

400-600 3 4 4 6 или анкерами 4 4 6 регулируемым са-

мообру-шением

Дальнейшее увеличение высоты подштрекового и надштрекового целиков более 810 м не дает существенного повышения устойчивости камер и приводит к значительным потерям руды в целиках. Поэтому оставлять целики больших величин нецелесообразно. Устойчивость камер на больших глубинах рекомендуется регулировать специальными мероприятиями по обеспечению устойчивости эксплуатационного блока.

На основании проведенных исследований обоснованы рациональные параметры системы разработки наклонных рудных тел малой мощности с открытым очистным пространством устойчивых подштрековых, надштрековых и междукамерных целиков (табл. 2). Предложены мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатационных блоков на больших глубинах.

Результаты исследований использованы при разработке Временных указаний по управлению геомеханическими процессами и определению параметров конструктивных элементов систем разработки Майско-

го месторождения. Указания приняты руководством рудника, прошли экспертизу промышленной безопасности, рекомендованы органами Ростехнадзора РФ для практического применения.

Исследования проведены в рамках госбюджетных НИР по заказу Министерства образования Российской Федерации:

* № 5.434 «Развитие научных основ, изысканий эффективных технологий подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных природно-климатических условиях сибирских регионов»;

* № 1418 «Разработка теоретических основ и практических решений по минимизации риска при открытии и промышленном освоении месторождений с прерывистым распределением полезного ископаемого».

Статья поступила 26.03.2015 г.

Библиографический список

1. Геомеханические условия горного массива Майского золоторудного месторождения / Е.Л. Сосновская, В.А. Фило-нюк, А.А. Жуков, С.Л. Рубцов // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4 (40). С. 46-49.

2. Сосновская Е.Л. Оценка потенциальной удароопасности Майского золоторудного месторождения // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5 (45). С. 76-80.

3. Сосновская Е.Л. Опыт моделирования техногенных напряжений и прогноз геодинамической и экологической безопасности при освоении Майского месторождения // Горный журнал. Известия вузов. 2010. № 5. С. 45-51.

4. Сосновская Е.Л. Оценка техногенных напряжений на кон-

туре очистных камер при разработке крутопадающих золоторудных жил малой мощности // Вестник ИрГТУ. 2014. № 12 (95). С. 82-88.

5. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П. Неганов, В.И. Коваленко, Б.М. Зайцев, Л.И. Сосновский [и др.]; под ред. В.П. Неганова. М.: Недра, 1995. 336 с.

6. Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты / Л.И. Сосновский, А.М. Павлов, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев, Л.Г. Рубцов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 11. С. 77-83.