Исследование напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки сближенных крутопадающих жил

Технология геологической разведки

УДК 622.831

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ ЖИЛ

А.Н. Авдеев1, Е.Л. Сосновская2

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

Изложены результаты исследования техногенных напряжений на контуре очистных камер и в целиках при выемке сближенных крутопадающих золоторудных жил малой и средней мощности системами с открытым очистным пространством. Исследования геомеханического состояния очистных камер и целиков при выемке запасов сближенных жил проводились для условий ряда месторождений: Майского, Ново-Широкинского, Биркачана, Многовершинного. Закономерности распределения техногенных напряжений изучались на основе моделирования методом конечных элементов по программному комплексу FEM проф. О.В. Зотеева (ИГД УрО РАН). Разработаны конечно-элементные модели выемки очистных камер при различной ширине междужильных и высоте междуэтажных целиков. По результатам моделирования определены значения горизонтальных, вертикальных и полных техногенных напряжений на контуре очистных камер и целиков. Установлены закономерности напряженно-деформированного состояния в конструктивных элементах систем разработки. Построены номограммы коэффициентов концентрации техногенных напряжений в кровле и стенках очистных камер, в междуэтажных и междужильных целиках. Номограммы предлагается использовать для оценки напряженно-деформированного состояния очистных камер и целиков при обосновании параметров подземных геотехнологий в различных горно-геологических условиях, а также для решения обратных геомеханических задач при определении техногенных напряжений.

Предложены мероприятия по повышению устойчивости целиков и обнажений камер: разгрузка потолочины путем придания ей шатровой формы, оформление разгрузочных щелей, технологические схемы ведения очистных работ с податливыми целиками, анкерное и анкерно-тросовое крепление стенок очистных камер. Для минимизации процессов вторичного разубоживания рекомендуется уменьшать время извлечения руды в выемочных блоках.

Ключевые слова: сближенные жилы; очистные камеры и целики; коэффициенты концентрации техногенных напряжений.

STUDY OF STRESS-STRAIN STATE OF ROOF, CHAMBERS AND PILLARS OF SUPERIMPOSED STEEPLY DIPPING VEINS

A.N. Avdeev, E.L. Sosnovskaya

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

The paper reports on the results of studying man-made stresses in stopes and pillars under open stoping of superimposed steeply dipping gold veins of small and medium thickness. The geomechanical status of the Cambers and pillars under extraction of the resources of superimposed ore veins has been studied for the conditions of a number of fields: Maiskoye, Novo-Shirokinskoye, Birkachan, Mnogovershinnoye. Distribution regularities of technological stresses are studied on the basis of finite element simulation using FEM software package of Professor O.V. Zoteev (Institute of Mining, Ural branch of the Russian Academy of sciences). Finite element models of chamber stoping are developed for different widths of inter-vein pillars and different heights of floor pillars. On

1 Сосновская 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

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

the basis of modeling results the values of horizontal, vertical and total man-made stresses on the contour of stopes and pillars are estimated. The regularities of stressed-strained state of roof, chamber walls and pillars are estimated. The graphs of man-made stress coefficient concentrations in the roof, chamber walls, floor and inter-vein pillars are built. It is proposed to use the graphs for the assessment of the stress-strain state of chambers and pillars to justify the parameters of underground mining technologies in different mining and geological conditions, as well as for the solution of the inverse geomechanical problems under man-made stress determination.

The following measures are proposed to improve the sustainability of pillars and chamber outcrops: unloading the roof pillar by arching it, designing relieve crevices, technological schemes of stoping with yielding pillars, anchorage and anchorage-cord fastening of chamber walls. To minimize secondary dilution it is proposed to reduce time of ore extraction in mining blocks.

Key words: superimposed veins; stopes and pillars; concentration criteria of anthropogenic stresses.

На стадии проектирования и строительства подземных рудников для безопасной и эффективной их эксплуатации необходимо своевременно определять параметры геотехнологий с учетом конкретных геологических и геомеханических условий горных массивов.

Одним из факторов, существенно осложняющих отработку крутопадающих жил, является их сближенное расположение. Сближенность рудных тел характерна для многих жильных месторождений, например Майского, Ново-Широкинского, Биркачана, Многовершинного. Исследования геомеханического состояния очистных камер и целиков при выемке запасов сближенных жил на указанных месторождениях проводились в 2008-2014 гг. [2, 4].

Закономерности распределения техногенных напряжений в конструктивных элементах систем разработки сближенных крутопадающих жил изучались на основе моделирования методом конечных элементов по программному комплексу FEM проф. О.В. Зотеева (ИГД УрО РАН).

Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) проводилось для средних горно-геологических условий, характерных для месторождений полезных ископаемых. Физико-механические свойства горных пород и руд принимались следующие: коэффициент Пуассона пород и руд - 0,250,26, начальный угол внутреннего трения - 27-30°; сцепление пород и руд -15-20 МПа. Коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова - 810. Плотность пород и руд - 2700-2800 г/м3. Породы и руды среднеустойчивые.

Модуль деформации горного массива составляет 8-10 ГПа.

Геометрические параметры моделей были выбраны с учетом фактических горногеологических и горнотехнических условий выемки крутопадающих сближенных жил. Средняя выемочная мощность жил принята 3 м, угол падения рудных тел - 80°. Длина очистных камер по падению - 50 м. Междуэтажный целик моделировался высотой 3 м, 10 м, 25 м. Междужильный целик принимался равным 3, 5, 10 м. Глубина разработки -200, 400, 600 м. Моделирование проводилось для условий отработки одного и двух этажей (рис. 1, 2). Всего промоделировано 45 моделей.

Значения природных напряжений определялись по результатам натурных исследований по методике института ИГД УрО РАН методом щелевой разгрузки (табл. 1). Установлено, что в массивах горных пород до глубин 200-300 м вертикальные напряжения ав примерно равны теоретическим значениям по гипотезе гидростатического напряжения в горном массиве А. Гейма. Напряжения, действующие по простиранию рудных тел, составляют 0,9-1,0 ав, а поперечные напряжения - 1,0 ав. На глубинах свыше 200-300 м горизонтальные напряжения в горном массиве изменяют значения: действующие по простиранию рудных тел напряжения остаются в пределах 1,0 ав, а поперечные увеличиваются до 1,6 ав [5].

Программный комплекс Fem позволяет представлять результаты моделирования в виде эпюр техногенных напряжений на контуре очистных камер.

Рис. 1. Схема моделей выемки сближенных рудных тел при отработке одного этажа:

1-8 - опасные участки контура камер: 3, 4, 7, 8 - потолочина камер, 2, 5 - междужильный целик; 1, 6 - крайние стенки камер

Рис. 2. Схема моделей выемки сближенных рудных тел при отработке двух этажей:

1-16 - опасные участки контура камер: 3, 11 - кровля камер верхнего этажа; 8, 16 - почва камер нижнего этажа; 4, 7, 12, 15 - междуэтажные целики; 2, 9, 6, 13 - междужильные целики; 1, 10, 5, 14 - крайние (наружные) стенки камер

Таблица 1

Значения первоначальных напряжений массивов горных пород _жильных золоторудных месторождений_

Глубина разработки от поверхности, м Значения напряжений, МПа

Вертикальное ав Продольное Спр Поперечное Сп

200 -5.4 -5,4 -5,4

300 -8.1 -8,1 -8,1

400 -10.8 -10,8 -17,3

500 -13.5 -13,5 -21,6

600 -16.2 -16,2 -25,9

На рис. 3 приведены эпюры горизонтальных техногенных напряжений ах и вертикальных напряжений ау для условий отработки сближенных жил одним этажом на глубине горных работ 400 м при мощности междужильного целика 5 м.

Полные напряжения на контуре очистных камер связаны с горизонтальными и вертикальными напряжениями следующим соотношением [1, 6]:

а= ау + ах=ку&в + кх аг, (1) где а - полное напряжение в данной точке контура выработки, МПа; ау, ах -вертикальные и горизонтальные техногенные напряжения на контуре выработки, определенные на основе моделирования, МПа; ав, аг - вертикальное и горизонтальное первоначальные напряжения горного массива, МПа, определяемые по табл. 1; ку, кх - коэффициенты концентрации вертикального и горизонтального напряжений соответственно от единичных нагрузок в исследуемой точке контура выработки.

Результаты определения полных напряжений для исследуемых условий приведены в табл. 2, 3. Анализ результатов моделирования позволяет отметить следующее. Напряжения в междужильном целике по характеру являются в основном сжимающими, по величине они невелики и не превышают минус 3 - минус 6 МПа (знак минуса означает сжатие пород). С увеличением глубины разработки напряжения в междужильном целике изменяются несущественно. Междужильный целик разгружен и характеризуется устойчивым состоянием.

В стенках крайних камер напряжения растягивающие, на больших глубинах достигающие значительных значений (до 30-40 МПа и более), превышающих предел прочности горных пород на растяжение. Несмотря на значительные растягивающие напряжения на контуре стенок камеры, глубина разрушающегося слоя невелика и по размерам сопоставима с выемочной мощностью жилы (рис. 4). Тем не менее разрушение стенок камер может привести к существенному осложнению выемки жилы при системах с открытым очистным пространством. Повысить устойчивость стенок очистных камер возможно применением анкерного и анкерно-тросо-вого крепления. Для минимизации процессов вторичного разубоживания рекомендуется уменьшать время извлечения руды в выемочных блоках.

Наибольшие сжимающие напряжения наблюдаются в потолочине камер и в междуэтажных целиках. Здесь напряжения достигают величин больше предела прочности горных пород на сжатие, начиная с глубин горных работ 200-300 м, то есть потолочина камер и междуэтажные целики будут характеризоваться неустойчивым состоянием. При увеличении междуэтажных целиков с 3 до 25 м напряжения в них существенно снижаются, что соответствует ранее выявленным закономерностям распределения техногенных напряжений при выемке одиночных крутопадающих жил [3]. Таким образом, регулировать устойчивость междуэтажных целиков на больших глубинах возможно

Рис. 3. Эпюры напряжений ах (а) и ау (б) при отработке сближенных рудных жил одним этажом

Таблица 2

Результаты определения полных напряжений в опасных участках _ очистных камер при отработке одного этажа_

Опасные участки очистных камер и целиков Глубина разработки, м

200 400 600

Ширина междужильного целика, м

3 5 10 3 5 10 3 5 10

Междужильный целик -2,0 -2,5 -2,4 8,9 7,0 3,0 12,9 10,0 4,0

Крайние стенки камер 8,0 7,0 7,0 43,0 41,0 40,0 65,0 64,0 61,0

Потолочина камер -47,0 -46,0 -46,0 -191,0 -187,5 -186,5 -295,5 -290,5 -288,5

Таблица 3

Результаты определения полных напряжений в опасных участках очистных камер при отработке двух этажей_

о г о Глубина разработки, м

Опасные к % ей ат м 200 400 600

участки очистных камер и целиков с? «а дк ^ к ел 3 гг Ширина междужильного целика, м

т

о о 3 т 3 5 10 3 5 10 3 5 10

Кровля верхних и почва нижних камер -40 -44 -46 -129 -130 -136 -194 -197 -205

Междуэтажный целик 3 -101 -101 -100 -331 -329 -322 -502 -496 -486

Междужильный целик -5 -4 -4 0 0 -3 0 0 -3

Крайние стенки камер 6 6 6 29 31 31 44 46 46

Кровля верхних и почва нижних камер -32 -36 -38 -101 -123 -126 -156 -189 -195

Междуэтажный целик 5 -69 -68 -69 -225 -225 -225 -340 -335 -340

Междужильный целик -5 -4 -4 -1 -1 -2 -1 -1 -4

Крайние стенки камер 5 6 6 27 29 29 41 44 44

Кровля верхних и почва нижних камер -29 -29 -36 -96 -116 -119 -147 -116 -183

Междуэтажный целик 10 -49 -41 -44 -156 -128 -137 -234 -128 -207

Междужильный целик -4 -5 -5 -1 -2 -3 -1 -2 -5

Крайние стенки камер 5 6 5 27 28 27 41 28 40

Кровля верхних и почва нижних камер -27 -31 -32 -90 -108 -108 -138 -167 -167

Междуэтажный целик 25 -32 -26 -29 -98 -78 -84 -148 -117 -127

Междужильный целик -5 -4 -4 0 -1 -3 0 -2 -5

Крайние стенки камер 3 4 4 21 23 23 32 35 34

Рис. 4. Положение зон растягивающих напряжений при отработке сближенных рудных тел при мощности междужильного целика 5 м на глубине 200 м (а) и 400 м (б).

Нр - максимальная глубина разрушающегося слоя

увеличением их высоты. Однако это приведет к значительным потерям руды в целиках. Поэтому для обеспечения безопасности горных работ при отработке сближенных жил на глубоких горизонтах целесообразно проводить другие мероприятия по повышению устойчивости целиков и обнажений камер: разгрузку потолочины путем придания ей шатровой формы, оформление разгрузочных щелей, технологические схемы ведения очистных работ с податливыми целиками [4].

Следует отметить, что напряжения в потолочине, стенках и целиках при увеличении междужильного целика с 3 до 10 м при прочих равных условиях практически не изменяются. Вероятно, это

связано с тем, что моделируемый междужильный целик по толщине не превышает зоны взаимного влияния сближенных жил (9-10 м). При дальнейшем увеличении расстояния между жилами напряжения, скорее всего, будут расти.

По значениям техногенных напряжений были определены коэффициенты концентрации напряжений ку и кх из выражений

ку = ау/ав; кх = ах /аг.

На основе полученных коэффициентов построены графики (номограммы) распределения коэффициентов концентрации в различных участках контура очистных камер в зависимости от ширины междужильного целика (расстояния между жилами) и высоты междуэтажных целиков (рис. 5-6).

Рис. 5. Коэффициенты Кх и Ку в условиях отработки одного этажа:

1 - в потолочине камер; 2 - в междужильном целике; 3 - в крайних стенках камер

б

Рис. 6. Коэффициенты Кх и Ку в условиях отработки двух этажей:

а - в кровле и почве камер; б - в крайних стенках камер; в - в междуэтажном целике; г - в междужильном целике; 1, 2, 3, 4 - при высоте междуэтажного целика 3, 5, 10, 25 м соответственно; Ьмжц - толщина междужильного целика

а

Номограммы коэффициентов концентрации напряжений предлагается использовать для оценки НДС очистных камер и целиков при обосновании параметров подземных геотехнологий сближенных жил малой и средней мощности в различных горно-геологических условиях, а также для определения техногенных напряжений в массиве горных пород в случаях проявления горного давления в динамических формах на основе решения обратных геомеханических задач.

Результаты исследований были использованы при обосновании параметров подземных геотехнологий на месторождениях Ново-Широкинском, Майском, Биркачане, Многовершинном.

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

№ 434 «Развитие научных основ, изысканий эффективных технологий подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных природно-климатических условия Сибирских регионов»;

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

Библиографический список

1. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994. 208 с.

2. Сосновская Е.Л. Обоснование параметров подземной геотехнологии крутопадающих сближенных жил Ново-Широкинского месторождения / Е.Л. Сосновская, В.А. Вицинский, Л.И. Сос-новский, В.А. Филонюк, А.Н. Авдеев,

A.А. Жуков // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 5. С. 28-32.

3. Сосновская Е.Л. Оценка техногенных напряжений на контуре очистных камер при разработке крутопадающих золоторудных жил малой мощности // Вестник ИрГТУ. 2014. № 12. С. 82-88.

4. Сосновская Е.Л., Махно Д.Е. Перспективные направления совершенствования геотехнологий крутопадающих жил на больших глубинах // Вестник ИрГТУ. 2011. № 12. С. 107-111.

5. Сосновская Е.Л., Ясыченко В.Б. Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока // Вестник ИрГТУ. 2011. № 11. С. 74-78.

6. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П. Неганов,

B.И. Коваленко, Б.М. Зайцев, ЛИ. Сос-новский [и др.] / под ред. В.П. Неганова. М.: Недра. 1995. 336 с.

Статья поступила 23.02.2015 г.