Обоснование параметров устойчивых обнажений кровли и междукамерных целиков при разработке Сюкеевского месторождения гипса

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

При проведении выработок вскрытия отмечены вывалы в кровле наклонных съездов (размерами 5,5-6 м). Возникла необходимость уточнить параметры геотехнологии, позволяющие повысить устойчивость кровли камер и междукамерных целиков, обеспечить безопасность ведения горных работ и избежать техногенных и экологических катастроф.

Научный исследовательский Иркутский государственный технический университет (НИ ИрГТУ) провел исследования геомеханического состояния горного массива месторождения. В процессе исследований сделан анализ геологического строения месторождения, исследованы физико-механические свойства горных пород, обоснованы параметры подземной геотехнологии.

Размеры устойчивых обнажений кровли и междукамерных целиков определялись в процессе математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов систем разработки методом конечных элементов с использованием FEM, разработанным профессором О.В. Зотеевым (ИГД УрО РАН) [1].

Исходные данные для моделирования представлены в табл. 1. В качестве граничных условий приняты значения первоначальных напряжений горного массива и физико-механических свойств пород (модуля деформации массива, коэффициента Пуассона пород, их начального угла внутреннего трения, сцепления, плотности, пределов прочности на сжатие и растяжение и др.), а также геометрическое положение горных выработок. Схемы моделей представлены в виде вертикальных разрезов по пласту (рис. 1). Промоделировано 32 модели. Первоначальные (природные) напряжения горного массива, учитывая осадочный генезис месторождения, принимались по гипотезе гравитационных напряжений А.Н. Динника на основе формулы:

об

< =-/Н ;опр — < —

М

1 - м

уН,

где ав ,апр, ап - вертикальные, горизонтальные продольные и поперечные напряжения горного массива, МПа; у - плотность пород, МН/м3; Н - глубина разработки, м; /- коэффициент Пуассона.

Модуль деформации определялся по методике проф. Ю.П. Шуплецова [2].

Допустимые напряжения на сжатие и растяжение горных пород приведены в табл. 2. Они определялись из следующих выражений: - для кровли камер:

• К

рр р с

_сж C доп

<7°б  К

сж_^ р _ р с

' C доп -

К,

К

для междукамерного целика:

<°б  К  К

сж _ сж с ф

C доп —

К

где оссЖп и <рдоп- пределы прочности на сжатие и

растяжение горных пород в массиве, Мпа; ст а°рб- пределы прочности на сжатие и растяжение

горных пород в образце, МПа; Кс - коэффициент структурного ослабления; Кз - коэффициент запаса прочности; Кф - коэффициент, учитывающий форму целика (коэффициент Церна).

Анализ результатов моделирования (табл. 3) позволяет отметить следующее. При последовательной отработке камер напряжения в кровле и в междукамерных целиках практически не изменяются после выемки запасов первых трех камер (рис. 2). При выемке пяти-шести камер формируется плоское напряженное состояние в конструктивных элементах систем разработки. Поэтому оценку устойчивости кровли и междукамерных целиков можно производить по данным моделирования этих условий. Дальнейшее увеличение очистного пространства существенно не изменит напряженное состояние подрабатываемого массива. В кровле камеры возникают растягивающие напряжения. На стенках междукамерных целиков действуют сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются в зависимости от пролета камеры и глубины разработки (рис. 3).

Устойчивость подрабатываемого массива зависит от напряжений как кровли камер, так и междукамерных целиков. Поэтому параметры устойчивых пролетов камер и междукамерных целиков взаимосвязаны.

Сравнительная оценка расчетных напряжений с допустимыми позволяет отметить следующее. На глубинах 20-60 м при пролете камер 12 м для обеспечения устойчивости достаточно оставлять междукамерные целики 6 м. На глубинах 60-120 м выемка камер шириной 12 м не обеспечивает устойчивость, так как в кровле камер возникают напряжения выше допустимых значений. При пролете камер 8 м устойчивые междукамерные целики в зависимости от глубины разработки составят 3-6 м. При пролете камер 6 м расчетная ширина междукамерных целиков составляет 3-5 м (табл. 4).

Учитывая выявленные закономерности напряженного состояния подрабатываемого массива, на глубинах 20-120 м для обеспечения устойчивости целесообразно камеры проходить шириной 6 м при ширине междукамерных целиков 6 м. В кровле камеры достаточно оставлять предохранительный целик высотой 1 м.

После выемки основных запасов пласта представляется возможным произвести частичную выемку запасов междукамерных целиков в отступающем порядке. Размеры междукамерных целиков можно уменьшить на 2 м. В этом случае их ширина составит 4 м, пролет камеры 8 м (см. табл. 4), при которых будет обеспечена общая устойчивость подрабатываемого массива.

В случаях выявления тектонически нарушенных участков кровли камер и выпадения отдельных заколов необходимо предусматривать крепление этого участка штанговой крепью с применением синтетических сеток.

доломит

Рис. 1. Схемы моделей при моделировании НДС обнажений камер и целиков: 1 - очистные камеры шириной 12 м; 2 - междукамерные целики. Параметры моделей: количество камер 1...6, глубина разработки 60 м

Таблица 1

Параметры моделирования техногенных напряжений

Параметр моделирования Наименование породы Значение

Количество моделей - 32

Количество отрабатываемых камер - 1-6

Высота камеры, м - 5,5

Высота оставляемого слоя гипса в кровле очистных камер, м 1

Глубина разработки, м - 20, 60, 120

Ширина камеры, м - 6, 8, 12

Ширина междукамерного целика, м - 6, 8, 12

Категория устойчивости массива горных пород (КУМ) гипс 3

доломиты 3,5

глина 3,5

Коэффициент Пуассона гипса 0,3

Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову гипс 1,37

доломиты 1,05

глина 1,11

Модуль деформации пород, МПа гипс 8000

доломиты 5000

глина 5000

Начальный угол внутреннего трения, град гипс 54

доломиты 46

глина 47

Сцепление пород, МПа гипс 2,69

доломиты 1,41

глина 1,18

3 Плотность пород, кг/м гипс 2,32

доломиты 2,23

глина 2,07

Предел прочности пород на сжатие в образце, МПа гипс - 16,47

доломиты - 7,05

глина -6,24

Предел прочности пород на растяжение в образце, МПа гипс 1,78

доломиты 1,12

глина 0,90

Таблица 2

Значение допустимых напряжений на сжатие и растяжение горных пород в массиве_

Ширина целика, м 6 8 12

Коэффициент формы 1,0 1,2 1,5

Коэффициент структурного ослабления Кс 0,57 0,57 0,57

Коэффициент запаса прочности 1,5 1,5 1,5

Предел прочности на сжатие в образце аО! , МПа 16,47 16,47 16,47

Предел прочности на растяжение в образце а°б ,МПа 1,78 1,78 1,78

Предел прочности на растяжение в кровле ароп ,МПа 0,7 0,7 0,7

Предел прочности на сжатие в целике а^, МПа 6,5 7,5 9,2

Предел прочности на растяжение в целике ароп ,МПа 0,7 0,8 1,0

Таблица 3

Напряжения в опасных участках очистных камер и целиков в условиях гравитационно-тектонического напряженного состояния горного массива_

Ширина камеры, м Напряжения в опасных участках камер

Номер модели Глубина разра- Количество камер Ширина целика, Полные (о1+ о3) о1 о3

ботки, м м Кровля Стенки Кровля Стенки Кровля Стенки

1 60 1 0,5 -3,0 0 -2,8 0,5 -0,2

2 60 2 0,5 -3,2 0 -3,0 0,6 -0,2

3 60 3 0,5 -3,3 -0,1 -3,1 0,6 -0,3

4 60 4 12 0,5 -3,4 -0,2 -3,1 0,6 -0,2

5 60 5 0,5 -3,5 -0,2 -3,2 0,6 -0,2

6 60 6 0,5 -3,3 -0,1 -3,0 0,6 -0,1

7 20 6 12 0,2 -1,0 0 -0,9 0,2 -0,1

8 120 6 1,0 -5,9 0,2 -6,0 0,9 -0,1

9 20 0,2 -0,9 0 -0,9 0,2 0

10 60 8 0,7 -3,2 0,1 -3,2 0,7 -0,1

11 120 1,4 -6,7 0,2 -6,6 1,3 -0,1

12 20 0,2 -1,0 0,05 -1,0 0,1 0

13 60 6 0,6 -3,6 0,1 -3,5 0,5 0

14 120 1,9 -7,7 0,2 -7,6 1,0 -0,1

15 20 0,1 -0,7 0 -0,7 0,1 0

16 60 12 0,3 -2,3 0,1 -2,3 0,2 -0,05

17 120 0,6 -4,9 0,2 -4,8 0,5 -0,1

18 20 0,1 -0,9 0 -0,8 0,1 0

19 60 8 8 0,1 -2,9 -0,1 -2,8 0,2 -0,1

20 120 6 -6,2 0,4 -0,2 -6,0 0,6 -0,2

21 20 0,1 -0,9 0 -0,9 0,1 -0,1

22 60 6 0,3 -3,0 -0,1 -2,9 0,4 -0,2

23 120 0,5 -6,6 -0,2 -6,1 0,7 -0,5

24 20 0,05 -0,6 0 -0,6 0 -0,1

25 60 12 0 -2,0 -0,1 -2,0 0,2 -0,1

26 120 -0,1 -4,2 -0,3 -4,2 0,3 -0,1

27 20 -0,1 -0,7 -0,05 -0,7 0,1 -0,1

28 60 8 6 -0,2 -2,3 -0,2 -2,2 0,1 -0,1

29 120 0 -4,8 -0,3 -4,7 0,3 -0,1

30 20 0 -0,8 -0,05 -0,8 0,1 -0,05

31 60 6 -0,2 -2,7 -0,2 -2,6 -0,1 -0,1

32 120 -0,3 -5,7 -0,4 -5,5 0,2 -0,2

Таблица 4

Параметры устойчивых междукамерных целиков и обнажений камер

Глубина Ширина междукамерного Пролет

разработки, м целика, м камеры,м

20 3 12

60 6 12

120 - -

20 3 8

60 4 8

120 6 8

20 3 6

60 3 6

120 5 6

1 О -1 -2 -3 4

1 2 1 . ♦ 3 4 5 6

-Ф— —!- 1 Число камер

__ 2 ш _Я

ст1, МПа - -— ----

Рис. 2. Графики полных напряжений: а - главных напряжений а1; б - главных напряжений о3; в - при последовательной отработке камер; 1 - в кровле камеры; 2 - в междукамерном целике

а

б

в

Рис. 3. Графики полных напряжений в кровле камеры (а) и в междукамерном целике (б) при различной ширине междукамерного целика и пролете камеры 6 м: 1, 2, 3 - на глубинах, соответственно, 20, 60,120 м

Рекомендуемые параметры устойчивых обнаже- ОАО «Иргиредмет» и ООО «Фоника гипс» приняты ний кровли и междукамерных целиков институтом для промышленного внедрения.

Библиографический список

1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: 2. Шуплецов Ю.П. Прочность и деформируемость скальных УрО РАН, 2001. 335 с. массивов. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 195 с.

а

б