Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока

УДК 622.83

ОБОСНОВАНИЕ МАТРИЦЫ ПРИРОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

1 1 Е.Л. Сосновская1, В.Б. Ясыченко2

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

На основе данных многолетних исследований структурной организации полей природных напряжений на золоторудных жильных месторождениях Сибири и Дальнего Востока разработана матрица природных напряжений массивов горных пород. Величины прогнозных напряжений предлагается использовать в качестве граничных условий для определения параметров подземной геотехнологии при освоении золоторудных жильных месторождений.

Табл. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: матрица природных напряжений; подземная геотехнология; натурные измерения; обратная геомеханическая задача.

JUSTIFICATION FOR THE MATRIX OF NATURAL STRESSES OF VEIN DEPOSIT ROCK MASSIFS IN SIBERIA AND FAR EAST

E.L. Sosnovskaya, V.B. Yasychenko

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

On the basis of long-term studies of the structural organization of fields of natural stresses at gold vein deposits in Siberia and the Far East the authors developed a matrix of natural stresses of rock massifs. They offer to use the values of predicted stresses as boundary conditions to determine the parameters of the underground geotechnology when developing gold vein deposits. 3 tables. 5 sources.

Key words: matrix of natural stresses; underground geotechnology; field measurements; inverse geomechanical problem.

На стадиях проектирования, строительства рудников и в начале эксплуатации геомеханическое состояние горных массивов жильных месторождений, как правило, мало изучено. Для определения параметров подземной геотехнологии используются общеизвестные гипотезы горного давления без учета специфических горно-геологических факторов, затрудняющих ведение горных работ. Жильные месторождения имеют сложное геологическое строение, тектоническую нарушенность, наличие в горных массивах высоких гравитационно-тектонических напряжений. Эти факторы существенно влияют на устойчивость конструктивных элементов систем разработки.

Авторы на основе многолетних исследований жильных месторождений Урала, Сибири и Дальнего Востока установили общие закономерности пространственного распределения напряжений в массивах горных пород на основе анализа формирования тектонических структур, натурных измерений в шахтных условиях и решения обратных геомеханических задач по выявленным проявлениям горного давления.

Установлено, что поле природных напряжений на золоторудных жильных месторожениях неравномерное. В массиве горных пород имеются средненапря-

женные участки (коэффициент масштабного подобия 1,6-1,9) и высоконапряженные участки (масштабный коэффициент 2,0-2,5). Количественная оценка напряженного состояния в средненапряженных зонах горного массива на стадии строительства рудников производилась на основе анализа данных натурных измерений напряжений институтами Иргиредмет, ИрГТУ на золоторудных месторождениях (табл. 1) [1-4].

Установлено, что верхние горизонты жильных месторождений Сибири (Ирокиндинское, Майское, Ново-Широкинское) до глубины 200-250 метров характеризуются наличием многолетнемерзлых массивов горных пород. В этих условиях средние величины вертикальных и горизонтальных напряжений аппроксимируются формулами гипотезы о гидростатическом напряженном состоянии

ов = о„р= оп= YH ,

где ов- вертикальные напряжения, МПа; Y - плотность пород и руд, МН/м3; H- глубина горных работ, м; опр -продольные напряжения, МПа; о„ - поперечные напряжения, МПа.

В талых породах первоначальные напряжения аппроксимируются по формулам гипотезы гравитационно-тектонического напряженного состояния, установ-

1 Сосновская Елена Леонидовна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405085, е-mail: 1.gor@istu.edu

Sosnovskaya Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Exploitation of Mineral Deposits, tel.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor @ istu.edu

2Ясыченко Владимир Борисович, аспирант, тел.: (3952) 405216, е-mail: v10@istu.edu

Yasychenko Vladimir, Postgraduate, tel.: (3952) 405216, e-mail: v10@istu.edu

лены эмпирические зависимости природных напряжений от глубины разработки:

где К1 и К2 - эмпирические коэффициенты бокового распора.

Средние значения коэффициентов по данным измерений на девяти золоторудных жильных месторождениях составляют К1 = 0,95, К2 = 1,6.

Таблица 1

Данные натурных измерений напряжений массивов горных пород золоторудных месторождений

ов = уИ; о„р=К1 • ов ; о„=К2 • о

Напряжение Глубина разработки, м Теоретическое напряжение (по гипотезе А. Гейма), МПа Результаты натурных измерений напряжений горных массивов

число единичных определений напряжения напряжение, МПа отношение продольного напряжения к вертикальному Опр/Ов

Многолетнемерзлые массивы горных пород

Ирокиндинское месторождение

Вертикальное 200 -5,6 48 -7,4±0,9 1,3 1,2

Продольное -5,6 24 -9,3±1,4

Поперечное -5,6 24 -8,6±1,8

Майское месторождение

Вертикальное 120 -3,2 55 -4,3±0,3 0,9 1,0

Продольное -3,2 35 -3,7±0,4

Поперечное -3,2 35 -4,3±0,5

Ново-Широкинское месторождение

Вертикальное 220 -6,3 44 -6,7±0,3 0,7 0,8

Продольное -6,3 28 -4,4±0,4

Поперечное -6,3 28 -5,4±0,6

Среднее значение - - - - 0,97±0,3 1,0±0,2

Талые породы

Березовское месторождение

Вертикальное 212 -5,9 42 -8,5+ 2,5 1,2 1,6

Продольное -5,9 42 -10,4+3

Поперечное -5,9 42 -13,6+5,1

Вертикальное 512 -14,3 27 -15,7+2,5 1,2 1,6

Продольное -14,3 27 -18,9+3,4

Поперечное -14,3 27 -25,3+7,5

Дарасунское месторождение

Вертикальное 500 -12,5 363 -11,6+1,5 0,4 1,8

Продольное -12,5 224 -4,1+1,4

Поперечное -12,5 224 -20,8+4,4

Вертикальное 700 -17,5 140 -14,3+1 1,3 1,7

Продольное -17,5 75 -19+2,1

Поперечное -17,5 75 -24,1+2,9

Советское месторождение

Вертикальное 340440 -10,9 436 -8,2+1,1 1,1 2,2

Продольное -10,9 436 -9,2+1,0

Поперечное -10,9 436 -18,2+6,0

Каульдинское месторождение

Вертикальное 240270 -6,9 112 -7,2+0,9 0,7 1,3

Продольное -6,9 30 -4,8+1,4

Поперечное -6,9 30 -9,7+2,1

Кочбулакское месторождение

Вертикальное 215245 -6,2 45 -6,2+1 0,7 1,3

Продольное -6,2 45 -4,6+1,9

Поперечное -6,2 45 -8+2,4

Кызылалмасайское месторождение

Вертикальное 100 -2,6 36 -2,6+0,6 0,77 1,38

Продольное -2,6 16 -2,0+1,2

Поперечное -2,6 16 -3,6+0,9

Чармитанское месторождение

Вертикальное 100 -2,3 5 -2,1 + 0,45 1,33 1,38

Продольное -2,3 6 -2,8+0,32

Поперечное -2,3 6 -2,9+0,76

Зун-Холбинское месторождение

Вертикальное 1000 -27,5 60 -35,6±13,5 0,7 1,7

Продольное -27,5 30 -45,3±26,5

Поперечное -27,5 30 -59,8±49.3

Ирокиндинское месторождение

Вертикальное 250 -6,6 72 -6,6 0,9 1,7

Продольное -6,6 32 -5,9

Поперечное -6,6 32 -10,8

Среднее значение - - - - 0,95±0,2 1,6±0,1

Количественная оценка напряженного состояния в высоконапряженных зонах горного массива на стадии строительства рудников произведена на основе решения обратных геомеханических задач по данным фактических проявлений горного давления в статических и динамических формах на рудниках Зун-Холбинском, Дарасунском и др. Величина вертикальных первоначальных напряжений ов определялась из выражения (3), величина первоначальных горизонтальных продольных напряжений (опр) и поперечных (оп) вычислялась по формулам:

а-Н • к

а = -

пр

где а"р ,а" - расчетные предельные напряжения на участке проявления горного давления в выработке или камере соответственно расположенных по простиранию и в крест простирания жил, МПа; Кв,, Кг, -коэффициенты концентрации напряжений соответственно от вертикальных и горизонтальных нагрузок на участке проявления горного давления.

При проявлениях горного давления в статических формах (заколообразование, обрушения) величина

а"р и а" принималась равной 0,6 а^, при динамических формах в виде шелушения, интенсивного заколообразования - 0,7а"6, в виде стреляния и

к я

а"-Н • К в

К г,

микроударов - 0,8а!6 , где а"б - предел прочности

об

пород на сжатие в образце, МПа. Значения Кв,, и Кг, принимались по данным проф. Зубкова А.В. [5].

Обратные геомеханические задачи решались на Зун-Холбинском и Дарасунском месторождениях в условиях разработки на глубине 305-950м. Общее количество изученных проявлений горного давления составило 81 (табл. 2). Выявлено, что на больших глубинах на высоконапряженных участках горизонтальные продольные и поперечные напряжения примерно равны. Разница между ними находится в пределах погрешности их средних значений. Общее среднее значение отношения их величин к вертикальным напряжениям составляет 2,5. Напряжения на высоконапряженных участках можно вычислить по формулам:

ов =- YH; о„р= оп= -2,5

На основе установленных зависимостей (1), (2), (3) и (4) определена матрица прогнозных величин первоначальных напряжений горного массива жильных месторождений (табл. 3). Величины напряжений определены на основе установленных соотношений значений горизонтальных напряжений к вертикальным. Погрешность этих соотношений не велика и не превышает 6 %. Достаточно высокая точность определения расчетных напряжений обусловлена тем, что формирование природных гравитационно-тектонических напряжений в горных массивах жильных месторождений, очевидно, происходит при весьма близких энергетических уровнях геологической среды этих месторождений.

Таблица 2

Сравнительная характеристика вертикальных и горизонтальных напряжений на высоконапря-

Наименование месторождения Глубина разработки, м Количество проявлений горного давления при решении обратных геомеханических задач Среднее отношение Опр / Ов Среднее отношение оп / ов

Зун-Холбинское 305-950 45 1,99 1,93

Дарасунское 385-696 36 3,17 2,86

Среднее значение 81 2,63±0,17 2,29±0,13

Общее среднее значение для горизонтальных напряжений 2,5

ап =

Таблица 3

Прогнозные природные напряжения горного массива крутопадающих жильных месторождений

Глубина Значение напряжений

разработки на средненапряженных на высоконапряженных Примечание

от поверхности, м участках, МПа участках, МПа

Вертикаль- Продоль- Попереч- Вертикаль- Продоль- Попереч-

ное ав ное а„р ное а„ ное ав ное аПр ное а„

100 -2,7 -2,7 -2,7 -2,7 -2,7 -2,7 гидростатиче-

150 -4,0 -4,0 -4,0 -4,0 -4,0 -4,0 ское напряжен-

200 -5,4 -5,4 -5,4 -5,4 -5,4 -5,4 ное состояние

250 -6,8 -6,8 -10,8 -6,8 -17,0 -17,0

300 -8,1 -8,1 -13,0 -8,1 -20,3 -20,3

350 -9,5 -9,5 -15,1 -9,5 -23,7 -23,7

400 -10,8 -10,8 -17,3 -10,8 -27,0 -27,0

450 -12,2 -12,2 -19,4 -12,2 -30,5 -30,5 гравитационно-

500 -13,5 -13,5 -21,6 -13,5 -33,7 -33,7 тектоническое

550 -14,9 -14,9 -23,8 -14,9 -37,2 -37,2 напряженное

600 -16,2 -16,2 -25,9 -16,2 -40,5 -40,5 состояние

650 -17,5 -17,5 -28,1 -17,5 -43,0 -43,0

700 -18,9 -18,9 -30,2 -18,9 -47,2 -47,2

750 -20,2 -20,2 -32,4 -20,2 -50,6 -50,6

800 -21,6 -21,6 -34,5 -21,6 -54,0 -54,0

Установленная матрица природных напряжений характеризует напряженное состояние горных массивов жильных месторождений до глубины 800 м.

Величины прогнозных напряжений рекомендуется использовать в качестве граничных условий для опре-

деления параметров подземной геотехнологии крутопадающих жил при освоении месторождений с малоизученным или неизученным геомеханическим состоянием массива горных пород.

Библиографический список

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

2. Филонюк В.А., Сосновская Е.Л., Сосновский Л.И. 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.

3. Сосновская Е.Л., Ясыченко В.Б., Сосновский Л.И., Филонюк В.А., Жуков А.А. Естественное напряженное состояние массива горных пород золоторудных месторождений Во-

сточной Сибири // Геомеханика в горном деле: доклады науч.-техн. конф.. Екатеринбург: Изд-во ИГД УрО РАН, 2009. С. 55-62.

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

5. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 335 с.