Комплексные геомеханические исследования массива горных пород удароопасного месторождения «Олений Ручей» при ведении подземных горных работ

© И.Э. Семенова, A.B. Земиовский, Д.А. Павлов, 2014

УДК 622.83

И.Э. Семенова, А.В. Земиовский, Д.А. Павлов

КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД УДАРООПАСНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ «ОЛЕНИЙ РУЧЕЙ» ПРИ ВЕДЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Представлены результаты исследования напряженно-деформированного состояния массива удароопасного месторождения «Олений Ручей» натурными и численными методами в районе пройденных подготовительных выработок. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, натурные методы, численное моделирование, подземная разработка месторождений полезных ископаемых.

Месторождение «Олений Ручей» расположено на юго-востоке тектонически-напряженного Хибинского массива. Запасы месторождения составляют порядка 392 млн т апатит-нефелиновых руд.

Месторождение представлено высокопрочными горными породами с пределом прочности на сжатия для пород рудных тел - 60-120 МПа, для вмещающих пород 80-320 МПа и имеет сложное многоярусное строение, обусловленное чередованием в разрезе пластообраз-ных тел апатито-нефелиновых руд, трахитоидных уртитов, ийолитов, мельтейгитов, массивных уртитов и ювитов, нефелиновых сиенитов. Рудные залежи представляют собой самостоятельные тела пласто-образной формы, которые располагаются в двух рудных ярусах: верхнем мощностью 200 м (отрабатывается открытым способом) и нижнем мощностью 50-330 м (отрабатывается подземным способом). Ярусы разделяются безрудной толщей мощностью 200300 м. На рис. 1 изображено вертикальное сечение по раз-

резу 21 месторождения. В 2012 г. сдан в эксплуатацию карьер «Олений Ручей». Ведется строительство подземного рудника, предполагается начать добычу руды подземным способом в 2016 г.

В конце 80-х была проведена серия исследований, направленных на изучение свойств массива горных пород месторождения «Олений Ручей» [1].

Исследования показали наличие систем трещин аналогичных отра-

Рис. 1. «Олений

Вертикальное сечение месторождения Ручей» по разрезу 21

1, Овласть

2, Станции N1,2,

3, Участки

4, Станция

5, Участок

6, Станция

7, Станция

сеисмотомограФических исследовании, проведения ультразвуковых измерении

сеисмопрофилирования,

измерении напряжении методом разгрузки, сеисмопрофилирования,

проведения ультразвуковых измерении N3. проведения ультразвуковых измерении N4,

р1б

о!5

014

013

Рис. 2. План транспортного горизонта +234 м

батываемым месторождениям ОАО «Апатит». Было установлено, что в массиве действуют тектонические силы и выделено 3 зоны:

I - до глубины 400 м, слабонапряженная зона, а < 20 МПа;

1 max 1

II - с глубины 400 м до 1000 м, сред-ненапряженная зона 20 МПа < а <

max

< 40 МПа;

III - с глубины свыше 1000 м, сильнонапряженная зона а > 40 МПа.

max

Месторождение «Олений Ручей» отнесено к склонным, а ниже глубины 400 м опасным по горным ударам [2]. Запасы, отрабатываемые подземным способом, расположены на глубине более 400 м от дневной поверхности, то есть горные работы будут вестись в удароопасных условиях.

Запасы нижнего яруса рудных тел вскрываются тремя параллельными штольнями (транспортная, конвейерная, воздухопадаюшая), автоуклонами и тремя стволами (главный, воздухо-падаюший и вспомогательный). В нас-тояшее время проходка транспортной и конвейерной штолен практически закончена. Ведутся работы по проходке воздухопадаюшей штольни и созданию выработок околоствольного двора для главного ствола. Начата проходка автоуклона +234/-220 и автоуклона +234/+297. План транспортного горизонта +234 м представлен на рис. 2.

Малоизученность и удароопас-ность месторождения «Олений Ручей» обуславливают необходимость детального исследования массива. Одним из направлений является исследование состояния пройденных выработок комплексом методов, который на сегодняшний день составляет:

1) проведение регулярного визуального обследования;

2) оценку состояния массива геофизическими методами;

3) измерение напряжений методом разгрузки в районе проходки выработок;

Рис. 3. Автоуклон +234/-220

4) прогнозные расчеты НДС массива методом конечных элементов в объемной постановке.

На рис. 2 нанесены участки контроля комплексом натурных методов.

Визуальный осмотр выработок на начальном этапе проходки не выявил каких-либо признаков проявлений горного давления. Состояние выработок характеризовалось как устойчивое. Разрушения крепи отсутствовали.

При проходке штолен после сбойки № 6 и автоуклона +234/-220 после узла перегрузки № 2 были отмечены проявления горного давления в виде шелушения, стреляния, динамического заколообразования. Разрушение контура выработки происходило преиму-шественно в кровле выработки, реже на сопряжении кровли со стенкой. Пример выработки, в которой происходило разрушение, показан на рис. 3.

Форма разрушения выработки говорит о том, что вектор максимальной компоненты главных напряжений является субгоризонтальным. Также по характеру разрушений можно приблизительно оценить величину напряжений на контуре выработки. Согласно [3], если наблюдаются динамические формы проявлений горного давления, то на контуре выработки действуют напряжения сопостави-

Конвейерная штольня

Конвейерная штольня

Рис. 4. Скоростная модель участка массива (км/с): а) продольные волны; б) поперечные волны

мые с величинами равными 0,5 асж, где асж - предел прочности пород на одноосное сжатие. То есть при значениях а = 150-200 МПа, величина

сж '

напряжений, действующая в кровле выработки, будет равна а = 75100 МПа. д

Увеличение проявлений горного давления в динамической форме может быть обусловлено следующими факторами:

• геологическими особенностями массива - после сбойки № 6 наблюдаются мончекитовые дайки различной мощности. Разрушение вмещающих пород между подобными жесткими включениями может проходить более интенсивно;

• изменением рельефа дневной поверхности. Участки с динамическими проявлениями горного давления находятся под толщей пород высотой более 400 м;

• усложнением горнотехнической ситуации, а именно одновременной проходкой в массиве разнонаправленных большепролетных выработок;

• неотлаженная технология проведения разгрузочных мероприятий.

Сейсмотомографические исследования проводились для участка массива, ограниченного транспортной и конвейерной штольнями, а также сбойками № 2 и № 3. Результаты измерений представлены на рис. 4. Средние скорости Vpo продольных волн для образцов данной породы (хи-биниты) составляют около 5,9 км/с.

Исследуемый участок массива в целом характеризуется однородной структурой скоростного поля, которая отражает геологическое строение и напряженно-деформированное состояние массива пород. Скорости продольных волн ^р) изменяются в интервале от 5,5 км/с до 6,7 км/с, то есть для большей части исследуемого участка они выше скорости продольных волн в образце. Из чего можно сделать

вывод о повышенном уровне напряжений. Области со значениями Vp < Vpo приурочены к контуру и сопряжениям выработок, где логично предположить наибольшую нарушенность прикон-турного массива. Скорости поперечных волн (Уй) в основном находятся в интервале 2,8 - 3,8 км/с. Наименьшие значения Vs наблюдаются на сопряжении Сбойки № 3 с транспортной и конвейерной штольней.

На основании анализа данных распределения скоростей для данного участка и участков сейсмопрофилиро-вания были определены средние скорости продольных и поперечных волн в окрестности штолен Vpcp = 6 км/с и Уй = 3 км/с.

ср

Для проведения данных ультразвукового каротажа скважин были созданы 4 измерительные станции. Три станции находятся в транспортной штольне, одна на автоуклоне +234/-220. Первые две станции расположены на устойчивых участках транспортной штольни. Две другие станции - на участках выработок с проявления горного давления в динамической форме.

На рис. 5 представлены скоростные модели приконтурного массива для станций № 1 и № 2. Пунктирной линией нанесены скважины измерительной станции.

Непосредственно на контуре выработки расположена область низких скоростей, которая характеризует мощность нарушенной зоны - до 0,4 м. В глубине массива средние скорости продольных волн составляют 5,8 км/с, что близко к значениям Vp, полученным при сейсмотомогра-фическом обследовании. На рис. 6 приведены распределения скоростей в приконтурном массиве на станции № 3 в транспортной штольне и № 4 на автоуклоне +234/-220. Пунктирными линиями нанесены скважины измерительной станции; сплошными -

Транспортная штольня Ст. 1

Транспортная штольня Ст. 2

i _

23456709 10 (1

Трещиноватые породы i

Vp км/сек

tOrOlvJWMUtJtJCJQttitiUlWtflUlUlCnffl ho Ь. ai со го ^ аэ оэ w ^ о со k) lb. аэ аэ к:

Рис. 5. Скоростные модели приконтурного массива на станциях № 1, 2 в транспортной штольне

строчки скважин, предназначенные для разгрузки массива; серой линией на рис. 7 отмечено положение мончи-китовой дайки.

На станциях № 3 и № 4 отмечена значительная вариация мощности нарушенный зон. Это связано с тем, что выработка на момент измерений еще не приняла устойчивую форму, что подтверждалось продолжавшимся интенсивным шелушением и заколообра-зованием. По сравнению со станциями № 1 и № 2 размер нарушенной зоны увеличился и составил в среднем 0,8 м.

Таким образом, для устойчивых выработок размер нарушенной зоны со-

ставляет 0,4 м, а для выработок, в которых наблюдались проявления горного давления в динамической форме, размер нарушенной зоны увеличился в 2 раза (до 0,8 м).

Для прогнозной оценки напряженно-деформированного состояния массива использовали программный комплекс Sigma GT, разработанный в Горном институте КНЦ РАН. Комплекс реализует метод конечных элементов в упругой постановке для расчета объемного напряженно-деформированного состояния массива горных пород [4]. В результате численного моделирования были получены данные о НДС

а)

Рис. 6. Скоростная модель приконтурного массива а) на станции № 3 в транспортной штольне; б) на станции № 4 в автоуклоне +234/-220

массива пород месторождения. При формировании модели были учтены основные геологические и горнотехнические факторы. Граничные условия для моделирования задавались в виде узловых сил на основе данных об изменении напряжений с глубиной.

Результаты моделирования в районе пройденных выработок представлены на рис. 7 в виде изолиний максимальной а и минимальной а .

max min

компонент главных напряжений.

Расчетный уровень максимальной компоненты главных напряжений колеблется в пределах 35^40 МПа. Значения минимальной компоненты

4^5 МПа. Все напряжения сжимающие. Направление вектора а близ-

1 1 max

ко к горизонтальному и субперпендикулярно штольням.

Для уточнения НДС в окрестности транспортной штольни было проведено локальное моделирование, показавшее формирование в кровле выработки зоны концентрации напряжений с величинами до 80 МПа (рис. 8). Вектора напряжений amax параллельны поверхности кровли, что будет способствовать разрушению приконтурного массива на данном участке выработки. Полученные результаты хорошо согласуются с данными визуального обсле-

Рис. 7. Изолинии напряжений атах и ат1п (МПа) на горизонте +234 м в районе проходки штолен

дования транспортной штольни, так как в основном в кровле выработки наблюдались динамическое заколоо-бразование и шелушение.

На горизонте +234 м в забое воз-духоподающей штольни были выполнены измерения напряжений методом

разгрузки, местоположение станции показано на рис. 9.

В результате измерений было установлено, что максимальная компонента главных напряжений на горизонте +234 м составляет а = 36 МПа,

max

азимут вектора максимальной компо-

Рис. 8. Изолинии и вектора напряжений атах в окрестности транспортной штольни

Р19 § I Чх g NN LH N X I С \

Тоан СПОРТНОЙ ЫТОЛЬНЯ ^Ч \ \

1

niR Конвейерная штольня If) Z О И

/ К -э—

Omax=36 Mlla Д—чВо здмхопод ш U зюцая ытольня

f Станция \ СУшах азим. 25°

Рис. 9. Местоположение станции разгрузки

ненты равен приблизительно 25°. Полученное значение amax и ориентировка его вектора хорошо коррелируют с данными численного моделирования и визуального обследования выработок.

В результате проведенных работ сделаны следующие выводы:

1. На основе данных, полученных в результате численного моделирования, определены основные закономерности распределения полей напряжений. В нетронутом массиве -а = 35^40 МПа, ст . = 4^5 МПа.

max 1 min

В зонах концентрации amax - 80 МПа.

2. С помощью метода сейсмической томографии исследования установлены скорости продольных и поперечных волн: Vp = 6 км/с и Vs = 3 км/с. Скорости Vp в массиве больше скорости в образце, что свидетельствует о повышенном уровне напряжений в массиве.

3. Методом ультразвукового каротажа скважин установлено: размеры нарушенной зоны на устойчивых участках составляют 0,4 м, для выработок с проявлениями горного давления - 0,8 м.

4. В результате измерений методом разгрузки на горизонте +234 м было установлено - amax = 36 МПа, азимут

вектора а 25°. Полученное значе-

1 max J

ние а более чем в 3 раза превышает

max

уровень напряжений с учетом только собственного веса пород, что подтверждает наличие тектонических напряжений в массиве.

5. Значительное влияние на устойчивость выработок оказывают особенности геологического строения (мончекитовые дайки), увеличение глубины работ, усложнение горнотехнической ситуации.

6. Характер разрушения выработок, а именно проявления горного давления в кровле подтвердили действие высоких горизонтальных напряжений в массиве пород месторождения.

Результаты проведенных исследований позволяют обосновать и разработать эффективные виды крепи для обеспечения устойчивости подземных горных выработок месторождения. Планируется продолжение начатых геомеханических исследований и использование других натурных методов для получения более полной информации о параметрах напряженно-деформированного состоянии массива горных пород месторождения «Олений Ручей».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козырев A.A., Панин В.И., Иванов В.И., Савченко С.Н. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах: в 2 т. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1996. 2 т.

2. 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). - М., 2000.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

3. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев A.A. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. - Д.: Наука, 1978. - 256 с.

4. Козырев A.A., Панин В.И., Семенова И.Э. Управление геодинамическими рисками на Хибинских апатитовых рудниках // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 12. - C. 347-359. ЕЕН

Семенова Инна Эриковна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru,

Земцовский Александр Васильевич - научный сотрудник, e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru, Горный институт Кольского научного центра РАН;

Павлов Дмитрий Аркадьевич - начальник шахтно-строительного управления, e-mail: PavlovDA@szfk.biz, ЗАО «Северо-западная фосфорная компания».

UDC 622.83

COMPLEX GEOMECHANICAL RESEARCH OF THE ROCK MASS DURING UNDERGROUND MINING IN HAZARDOUS ROCKBURST DEPOSIT OLENY RUCHEY

Semenova I.E., Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru,

Zemtsovskiy A.V., Researcher, e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru,

Mining Institute, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences;

Pavlov D.A., Chief, Mine Construction Department,

e-mail: PavlovDA@szfk.biz, Northwest Phosphorus Company LLC.

Results of the complex geomechanical research of rock mass state for the rock burst hazardous deposit Oleniy Ruchey are presented in the paper. Field observation and numerical modeling were used for the rock mass state studying. Field observation consisted of visual observation of mine openings, geophysical methods, and stress measurements by overcoring method (doorstopper). The modeling of the rock mass stress-strain state at the level of +240 m was performed by Sigma GT software developed in the Mining Institute.

The analysis of data obtained by different methods was carried out and preliminary estimation of the rock mass state at the Oleniy Ruchey deposit was obtained. The results are used for substantiation and development of effective supports which provide stable state of mine openings.

Key words: stress-strain state, field observations, numerical modeling, underground mining.

REFERENCES

1. Kozyrev A.A., Panin V.I., Ivanov V.I., Savchenko S.N. Upravlenie gornym davleniem v tektonicheski naprjazhennyh massivah (Ground control in tectonic stress rock masses), Apatity, Izd. KNC RAN, 1996. 2 vol.

2. Instrukcija po bezopasnomu vedeniju gornyh rabot na rudnyh i nerudnyh mestorozhdenijah, ob#ektah stroitel'stva podzemnyh sooruzhenij, sklonnyh i opasnyh po gornym udaram RD 06-329-99 (Safe mining instructions for rockburst-hazardous metalliferous and nonmetallic deposits and mine construction RD 06-32999), Moscow, 2000.

3. Turchaninov I.A., Markov G.A., Ivanov V.I., Kozyrev A.A. Tektonicheskie naprjazhenija v zemnoj kore i ustojchivost' gornyh vyrabotok (Tectonic stresses in the earth crust and stability of underground excavations), Leningrad, Nauka, 1978, 256 p.

4. Kozyrev A.A., Panin V.I., Semenova I.Je. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2010, no 12, pp. 347-359.