О влиянии геокриологических условий на процессы подземной разработки рудных месторождений Севера

М.М. Иудин

О ВЛИЯНИИ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ПРОЦЕССЫ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА

Рассмотрены наиболее характерные месторождения по геокриологическим условиям в разных регионах Севера.

Ключевые слова: криолитозона, месторождения полезных ископаемых, многолетняя мерзлота.

Стратегия рационального освоения рудных минеральносырьевых ресурсов Севера основывается на подземном способе разработки месторождений, специфические условия эксплуатации, которых заключаются в наличии криолитозоны, сурового климата, слаборазвитой инфраструктуры [1]. Основными факторами, определяющими возникновение различных криогеннотехнологических осложнений при подземной добыче полезных ископаемых на рудниках Севера, являются: температура мерзлых пород и шахтного воздуха и их знакопеременность по времени; суровые природно-климати-ческие условия; обводненность месторождений [2].

Месторождения полезных ископаемых на Севере располагаются на огромной территории от Архангельской области до Чукотки на востоке с весьма разными геокриологическими условиями. Если рассмотреть геокриологические условия, то необходимо отметить, что в районе Воркуты и Норильска распространена островная, многолетняя мерзлота небольшой мощности 40-60 м с естественной температурой грунтов -2—3 °С на глубине 15-20 м от дневной поверхности. Породы, слагающие мерзлый массив горных пород, состоят из четвертичных отложений: супеси, песка, глинистых брекчий, галечников. В то время как на месторождениях Северо-Востока нижняя граница многолетней мерзлоты проходит на глубине 400-800 м, а температура горных пород достигает -6- -10°С. Состав и строение горных пород, слагающих многолетнемерзлый массив, значительно разнообразнее и включает такие породы как песчаники, известняки, мергели, доломиты, алевролиты и т.д. Поэтому в этих условиях наиболее сильно влияние температурного фактора

на геомеханические процессы в многолетнемерзлом массиве пород вокруг выработок. Рассмотрим наиболее характерные месторождения по геокриологическим условиям в разных регионах Севера.

Сурьмяное месторождение Сарылах (Якутия) располагается в зоне распространения многолетнемерзлых горных пород. Нижняя граница массива многолетнемерзлых горных пород проходит на глубине 200-300 м от дневной поверхности [3]. Геотермический градиент составляет 0,025-0,035 град/м. Температура горных пород на глубине нулевых годовых колебаний температуры изменяется в районе рудного тела от -6,4 °С до -8,1 °С. Глубина сезонного про-таивания колеблется в пределах от 0,2 м до 2,6 м [4].

Золоторудное месторождение Нежданинское (Якутия) локализовано в массиве многолетнемерзлых горных пород [5]. Мощность многолетнемерзлых пород достигает глубины 350 м, температура горных пород составляет -5—7 °С, среднегодовая температура воздуха достигает -12 °С. Вмещающие породы типа алевролитов, глинистых сланцев, песчаников имеют среднюю плотность 2,6 т/м3, влажность 1,5 % и крепостью по М.М. Протодьяконову 10-15.

Золоторудное месторождение Бадран (Якутия) располагается в зоне многолетнемерзлых пород мощностью до 300 м с температурой пород -6- -8 °С, среднегодовая температура воздуха достигает -14 °С [5].

Вмещающие горные породы золоторудного Наталкинского месторождения (Магаданская область) представлены туфогенными, глинистыми сланцами, песчаниками [6]. Мощность мерзлых горных пород составляет 180-320 м, естественная температура горных пород в среднем равна -5 °С.

Золоторудное месторождение Ирокинда (Бурятия) локализовано в зоне многолетней мерзлоты: мощность толщи составляет до 400 м, температура от -2,5 °С, мощность отдельных линз льда достигает 5-10 см, мощность прожилков не превышает 1-2 см. Ниже глубины проникновения региональной трещиноватости (100-120 м) распространена «сухая» мерзлота без видимых кристаллов льда [7].

Кимберлитовые месторождения (Якутия): первая промышленная трубка «Мир» открыта в 1953 г., а трубка «Интернациональная» открыта в 1969 г. Геологические и геокриологические условия этих месторождений в основном одинаковые, т.к. расположены недалеко друг от друга [3]. Обе трубки прорывают терриген-но-карбонатные и галогенно-карбонатные отложения нижнего па-

леозоя и с поверхности перекрыты мезозойскими осадками. Залегание осадочных пород горизонтальное, с пологим падением. Месторождения находится в зоне сплошного развития многолетнемерзлых пород (ММП) мощностью более 300 м. Мощность ее определяется кровлей метегеро-ичерского водоносного комплекса (МИВК). Нулевая изотерма проходит на глубине 720-740 м. Наиболее низкие температуры в зоне ММП (-3 оС) находятся на глубине 5-8 м. С глубины 10-12 м температура повышается.

Таким образом, месторождения полезных ископаемых Севера отличаются широким диапазоном геокриологических условий, как по температуре горных пород, так и по мощности и строении массива многолетнемерзлых горных пород.

Анализ исследований по проблемам горного дела на Севере показывает, что геокриологические условия месторождений полезных ископаемых изучались в плане влияния на характер протекание тепловых процессов в породном массиве. Много внимание уделялось вопросам регулирования теплового режима в горных выработках шахт и рудников Севера: исследовалось влияние геокриологических условий месторождений на параметры регулирования теплового режима. В результате многолетних исследований разработаны рациональные способы и параметры регулирования теплового режима в горных выработках и классифицированы технологические схемы регулирования теплового режима в разных геокриологических условиях. Современный уровень исследований горной теплофизики фокусируется в направлении совершенствования технических средств регулирования теплового режима, в оптимизации параметров теплового режима и проветривания горных выработок.

Влияние геокриологических условий на процессы подземных горных работ исследовалось в направлении разрушения горных пород и рудного тела. При этом основное внимание уделялось условиям смерзаемости полезного ископаемого и пород при очистных работах и транспортировании в горных выработках. Основной метод борьбы со смерзаемостью пород заключается в тепловой обработке очистных забоев и локальный подогрев вентиляционного воздуха в выработках, где возможно смерзание горной массы.

Влияние геокриологических условий на устойчивость горных пород вокруг горных выработок при подземной разработке исследовалось в плане воздействия на термомеханические процессы в

породном массиве. При этом в геокриологические условия включались следующие параметры: температура, льдистость, влажность горных пород, мощность мерзлоты. Геомеханические особенности при влиянии геокриологических условий заключались в учете температурной зависимости механических и прочностных свойств горных пород, в изучении влияния образования зоны протаивания в многолетнемерзлом массиве горных пород на устойчивость породного обнажения горной выработки при ее проветривании в летний период.

Автору на основе результатов многолетних исследований по тепловому и механическому взаимодействию многолетнемерзлых пород с крепью вертикального ствола удалось получить удобные для расчетов и достаточно надежные зависимости, которые максимально учитывают особенности протекания термомеханических процессов в мерзлых породах вокруг вертикальных выработок. Методы расчета параметров взаимодействие крепи вертикальных выработок базируется на необходимости учета влияния изменения физико-механических свойств мерзлых пород под воздействием тепловых процессов на механизм нагружения и деформирования конструкции крепи. Данное положение позволило разработать расчетные схемы взаимодействия крепи вертикального ствола с оттаивающим мерзлым массивом горных пород, зависимости для расчета нагрузок на крепь и выявить основные факторы, влияющие на формирование нагруженности крепи выработки. Управление параметрами термомеханического взаимодействия оттаивающего массива многолетнемерзлых горных пород с крепью вертикального ствола осуществляется обеспечением заданного или допустимого уровня температурного поля приконтурного слоя пород вокруг выработки регулированием теплового режима.

Перспектива исследований по изучению влияния геокриологических условий месторождений Севера на процессы горных работ заключается в направлении развития:

- изучение влияние тепловых процессов на формирование геомеханической ситуации в приконтурных слоях массива горных пород вокруг выработок;

- совершенствование термомеханических моделей взаимодействия крепи горных выработок и многолетнемерзлого массива горных пород;

- исследование проблем техногенной деградации многолетнемерзлого состояния горных пород вокруг выработки в процессе подземной отработки месторождения.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Необутов Г.П., Маликов Е.Ф. Современное состояние и тенденции развития подземной добычи руды // Наука и образование. - 2004. - №1. - С.5-8.

2. Воронов Е.Т., Воронов Д.Е., Бондарь И.А. Влияние температурного фактора на процессы ведения подземных горных работ в условиях вечной (многолетней) мерзлоты // Известия вузов. Горный журнал. - 2006. - №4. - С.55-62.

3. Условия эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых / В.Н. Скуба, И.В. Авксентьев, М.А. Викулов и др. - Новосибирск: Наука, 1982. -144 с.

4. Безносов Г. Ф., Боева О.И., Жирков Е.П. и др. Состояние и пути сохранения добычи и производства сурьмы в Республике Саха (Якутия). - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1999. - 84 с.

5. Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.

6. Чабан П.Д., Супрун Н.Т., Пилюгин Г.С. Тепловой режим рудника в условиях Северо-Востока СССР // Труды ВНИИ-1. - Магадан. - 1966. - Т.25. - С.73-126.

7. Павлов А.М. Обоснование эффективной технологии подземной разработки золоторудных жил малой мощности наклонного залегания (на примере Ирокин-динского месторождения) // автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук по спец. 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая, строительная) - Иркутск: ИркГТУ, 2006. - 24 с. шгЛ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Иудин М.М. - кандидат технических наук, доцент, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.