Исследование устойчивости пород кровли очистных выработок россыпного месторождения Солур

УДК 622

Л. В. Петрова, А. А. Николаева, В. С. Марков

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД КРОВЛИ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК РОССЫПНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СОЛУР

Посвящена вопросам оценки устойчивости пород кровли очистных выработок при подземной разработке россыпного месторождения. Приведена геологическая характеристика алмазоносного месторождения Солур, описаны состав и свойства породного массива перекрывающих, подстилающих пород и продуктивного пласта. В ходе работы была сделана предварительная оценка устойчивости пород кровли по методикам З. Т. Бенявского (RMR - Rock Mass Rating) и Д. Лобшира (MRMR - Mining Rock Mass Rating). Произведены расчеты для определения устойчивости кровли очистных выработок россыпного месторождения алмазов Солур по рейтинговой классификации Д. Лобшира, которая нашла широкое применение на сегодняшний день в вопросах устойчивости породного массива. Результаты расчетов выполнены для условий перекрывающих пород, подстилающих пород и продуктивного пласта месторождения алмазов Солур. Итоги расчетов сведены в итоговую таблицу результатов расчета рейтинга MRMR для условий продуктивного пласта и вмещающих пород месторождения. По результатам расчетов рейтинга породного массива по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазоносной россыпи Солур сделаны выводы по определению класса устойчивости пород кровли и выбору системы разработки с установлением пролета очистной выработки.

Ключевые слова: россыпное месторождение, устойчивость пород, кровля, очистная выработка, класс устойчивости, система разработки, рейтинговая классификация, пролет, продуктивный пласт, вмещающие породы.

L. V Petrova, A. A. Nikolaev, V S. Markov

Investigation of Stability of Roof Rocks Treatment Workings of Placer Deposits Solur

The paper considers evaluation of the stability of the roof rocks treatment workings in underground mining of placer deposits. The authors show the geological characteristics of diamond deposits Solur, describe the properties of the rock mass overlying, underlying rocks and productive formation. It was investigated the preliminary assessment of the roof stability by Z. Bieniawski (RMR - Rock Mass Rating) and D. Lobshir methods (MRMR - Mining Rock Mass Rating). The paper brings the calculations for determination of stability of roof rocks treatment workings of diamonds placer deposits Solur by D. Lobshir's rating classification, which has been widely used to date in matters the roof stability of the rock mass. The results of calculations performed for conditions of overburden rock, bedding rock and producing formation of diamond deposit Solur. The summary table shows the calculation results of the rating conditions for MRMR productive formation and enclosing rocks of the deposit. According to the results of the rock mass rating calculation by D. Lobshir's geomechanical classification for conditions of diamond placer Solur there were defined the stability class of roof rock and development system with the establishment of stope ore passage.

Keywords: placer deposits, roof stability, roof, stope ore, stability class, development system, rating classification, passage, productive formation, enclosing rocks.

ПЕТРОВА Любовь Владимировна - ст. преп. кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых Горного института Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова.

E-mail: el_pi@mail.ru

PETROVA Lyubov Vladimirovna - Senior Lecturer of the Department of Underground mining of mineral deposits Mining institute, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: el_pi@mail.ru

НИКОЛАЕВА Александра Афанасьевна - зав. лабораторией кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых Горного института Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова.

E-mail: shuriknik-va@mail.ru

NIKOLAEVA Alexandra Afanasyevna - Head of the laboratory of the Department of Underground mining of mineral deposits Mining institute, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: shuriknik-va@mail.ru

МАРКОВ Валерий Степанович - к. т. н., доцент кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых Горного института Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова.

E-mail: marko-valeri@mail.ru

MARKOV Valery Stepanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Department of Underground mining of mineral deposits Mining institute, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: marko-valeri@mail.ru

Введение

Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в течение заданного срока их эксплуатации является одной из важнейших задач, возникающих при добыче полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений различного назначения. Важность задачи подтверждается обилием исследований в этой области геомеханики, посвященных как общетеоретическим аспектам проблемы, так и решению различного рода частных задач.

Месторождения Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока России имеют ряд особенностей: наличие криолитозоны различной мощности и температурного режима, сложное геологическое строение и тектоническую нарушенность, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. Все это существенно влияет на устойчивость подрабатываемых породных массивов, напряженное состояние целиков и обнажений выемочных камер.

В этой связи оценка устойчивости породного массива очистных выработок месторождений криолитозоны является важным и актуальным вопросом в принятии технологических решений по разработке месторождений.

На сегодняшний день в мировой практике наиболее многофункциональными и практичными являются рейтинговые классификации Д. Лобшира (MRMR -Mining Roc& Mass Rating) и З. Бенявского (RMR - Roc& Mass Rating), которые решают ряд таких вопросов, как составление проекта крепления, составление диаграмм зон обрушения, определение допустимых размеров обнажений трещиноватых руд и пород, оценка устойчивости целиков и других конструктивных элементов систем подземной разработки рудных месторождений и шахт.

Целью настоящей работы является исследование устойчивости породного массива очистных камер россыпного месторождения Солур с использованием рейтинговой классификации Д. Лобшира (MRMR) для оптимального выбора системы разработки [1].

Геологическая характеристика месторождения Солур [2]

Перекрывающие отложения.

Продуктивные отложения россыпи Солур перекрыты (снизу-вверх) неалмазоносными осадками верхней части юлегирской свиты, низкоалмазоносными осадками оруктахской и вакунайкинской свит (Jl).

Непродуктивные осадочные образования юлегир-ской свиты (Jljul) представлены песками, темно-серыми алевролитами озерно-болотного генезиса мощностью от 2,0 до 20,0 м.

Отложения оруктахской свиты (Лог) сформированы слабосцементированными полевошпатово-кварцевыми и полимиктовыми песчаниками с редкими включениями мелкой гальки и гравия кварцкремнистых пород. Среди них отмечаются линзовидные прослои песчанис-

тых, реже глинистых алевролитов. Грубообломочные и горизонты оруктахской свиты на отдельных участках содержат повышенные концентрации алмазов.

Вакунайкинская свита (Луй:), представленная только нижней подсвитой, видимой мощностью до 22 м, сложена песчаниками и алевролитами. В ее основании иногда залегают галечно-песчаные образования, а иногда и довольно мощные (от 1-2 до 7-8 м) конгломераты и галечники с грубообломочным материалом.

Продуктивный пласт.

В строении продуктивного пласта принимают участие 1-3 слоя галечников, связанные песчано-гли-нистым материалом. Галечники разделяются линзами, прослоями песков, алевролитов и глин и представлены в основном галькой кварцитов, халцедонов и кремней, размер которых обычно составляет 1-2 см, иногда до 100-200 мм (валуны).

По данным ситового анализа в составе продуктивного горизонта преобладает глинисто-алевритовая фракция (35-80 %) и песок мелко-среднезернистый (10-60 %). Остальные гранулометрические классы, включающие песок крупнозернистый, гравий и гальку, доходят до 1020 %. В галечниках и конгломератах грубообломочный материал составляет 40-60 % общей массы породы и представлен преимущественно кварцем, кварцитами и кремнями, реже алевролитами, известковистыми песчаниками, эффузивами, роговиками, обломками конгломератов на пирит-сидеритовом цементе. В при-плотиковой части увеличивается содержание дресвы и щебня терригенно-карбонатных пород.

Опытно-экспериментальные работы показали, что фактические параметры теплового режима горных выработок оказались выше проектных. Температура пород в выработках, прилегающих к околоствольному двору, в конце мая была зафиксирована минус 1,5-2 °С вместо минус 5 °С по проекту.

Подстилающие породы. Плотиком россыпи служат терригенно-карбонатные породы холомолохской свиты верхнего кембрия (£зЫ), сложенные доломитовыми и известковыми алевролитами, глинистыми алевролитами и мергелями с подчиненными слоями и пластами глинистых и алевритистых доломитов, известняков и песчаников.

В плотике наблюдаются разрывные нарушения северо-западной и северо-восточной ориентировок, что обуславливает на отдельных участках интенсивную трещиноватость. Преобладают трещины открытого и закрытого типа без смещения пластов. Открытые трещины глубиной до 10-30 см чаще всего выполнены льдом, реже - перекрывающим алмазоносным материалом юлегирской свиты.

Расчет рейтинга MRMR [3-5]. Рейтинг MRMR представляет сумму частных рейтингов, учитывающих прочностные характеристики массива, количественные и качественные характеристики трещиноватости,

Коэффициент корректировки ¡RS

1,00 0,95 0.90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 i-1-1-1-1-1-1-1-1

i-1-1—........1-1—........1-1—i

ОД 0,2 0,4 1 2 5 10 40

Инверсия крепости х FF/m

Рис. 1. Номограмма корректировки прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин

ft: i

ф о.

0 10 20 30 ¿10 50 60 S0 100 120 140

ПоказательRВ5, МПа

Рис. 2. Определение рейтинга Rrbs прочности породного блока

160

которая в свою очередь, домножается на поправочные коэффициенты, отражающие степень выветрелости пород, ориентацию трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и

др.

Также получение рейтинга MRMR можно выразить формулой

MRMR=RMRvfe,

R^^rbs+J+c.

где Rr

прочность породного блока; J — рейтинг

по количеству трещин; — рейтинг условий трещи-новатости; к — коэффициенты, учитывающие выветривание, ориентацию трещин, напряжения в массиве, взрывание, наличие подземных водопритоков.

Для условий перекрывающих пород [2]. Средний предел прочности руды колеблется 14 МПа, модуль трещиноватости 2-10 м-1, среднее расстояние между трещинами - 0,1-0,5 м [6].

С учетом трещиноватости получаем составляющую рейтинга RBS

определяется по шкале, представленной на рис. 2, исходя из значения «инверсия крепости Х FF/m».

Наличие сцементированных наполненных трещин, крепость заполнителя по шкале Мооса 2. Следовательно, инверсия 0,5 [5].

Получаем значение «инверсия крепости Х FF/ m»=0,5x6=3.

По номограмме корректировки прочности (рис. 1) имеем k=0,78.

В итоге получаем прочность породного блока

RBS =14-0,8-0,78.

p

По графику (рис. 2) рейтинговый показатель Rrbs=4. По графику (рис. 3) определяем рейтинг по количеству трещин JS=22.

Трещины однонаправленные волнообразные (А=95 %), шероховатые волнистые (В=80 %), стенки трещин деформированы (С=75 %), наличие сцементированных наполненных трещин, крепость наполнителя по шкале Мооса=2, (Е=80 %) (данные табл.) [3].

RBS =IRS-0,8-&,

где IRS - прочность нетронутого массива, МПа; к - коэффициент корректировки IRS. Данный коэффициент

0,001

Объем блока, м3

0.008 0,03 0,12 0,31 1

27 61 125

-г

L,

X

X

ь •я

(X,

"0,3 0,5 0,7 1,0 2,0

Расстояние между трещинами, м

Рис. 3. Рейтинг трещиноватости массива JS

4,0 " 5,0

Вычисляем рейтинг условий трещиноватости A B C D E 100'100'100'100'100 = 95 80 75 80

Je

40 •

40-

100 100 100 100

18,24

Получаем рейтинг

RMR =R +J_+JC=4+22+18,24=44,24.

K RBS s C у у

Так как породы многолетнемерзлые, водоприток не рассматриваем.

На территории района развиты многолетнемерзлые породы, температура -2 °C. Коэффициент смерзаемости пород берется от 1 до 1,2 (^=1,1).

Коэффициент выветривания &2=0,84 [5]. Получаем рейтинг массива горных пород

MRMRK=RMRK-£1k2=44,24-U-0,84=40,9.

Для условий пород продуктивного пласта [2]. По

подобию перекрывающих пород рассчитываем показатели для продуктивного пласта (условия идентичны): Прочность породного блока RBSp=14-0,8-0,78=8,74. Рейтинг прочности породного блока Rrbs=4. Рейтинг по количеству трещин JS=22. Рейтинг условий трещиноватости

/с = 40 А .А .А .А .А = L 100 100 100 100 100

95 80 75 80

Для условий подстилающих пород [2]. Средний предел прочности руды колеблется в пределах 42 МПа, модуль трещиноватости -1-0,65 тр/м, среднее расстояние между трещинами 1-1,5 м. Практически все трещины минерализованы. Основной заполнитель трещин

- лед и карбонатные породы, крепость по шкале Мооса

- 3. Следовательно, инверсия - 0,33 (по табл.). Получаем значение «инверсия крепости Х FF/m»=0,33x0,8=0,264.

По номограмме корректировки прочности (рис. 2) имеем коэффициент корректировки k=0,92. В итоге прочность породного блока

RBS =IRS-0,8-&=42-0,8-0,92=30,9.

р

По графику (рис. 2) рейтинговый показатель Rrbs=12. По графику (рис. 3) рейтинг по количеству трещин

Js=33.

Трещины разнонаправленные волнообразные (А=100 %), с гладкими выступами (В=80 %), стенки трещин деформированы (D=75 %), крепость наполнителя трещин 3, (E=85 %).

Получаем рейтинг условий трещиноватости

/с = 40.-A .А .А .А .А = L 100 100 100 100 100

100 80 75 85

40

100 100 100 100

20,4.

40

100 100 100 100

18,24

Рейтинг RMR =R +J +J =4+22+18,24=44,24.

K RBS S C y y

Рейтинг массива горных пород с учетом коэффициентов: MRMRK=RMRK-£1k2=44,244,r0,84=40,9.

Так же, как и для предыдущих условий ^1=0,84 и &2=1,1. Получаем рейтинг

ЯМЯ К=Я +Л+ЛС=124+33+20,4=65,4.

К КЬЬ о С

Рейтинг массива горных пород с учетом коэффициентов

МЯМЯК=ЯМЯК-&1^2=65,44,1Ю,84=60,4. Результаты расчетов рейтинга МЯМЯ для условий

Таблица

Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR

Показатель Вмещающие породы Продуктивный пласт

Перекрывающие Подстилающие

Рейтинг MRMR 40,9 60,4 40,9

Класс пород по Д. Лобширу 3 3 3

Описание пород по устойчивости

продуктивного пласта и вмещающих пород месторождения Солур сводим в таблицу (табл.).

Заключение

Результаты расчетов рейтинга породного массива по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазоносной россыпи Солур показали следующее: породы кровли россыпного месторождения Солур относятся к III классу устойчивости (средней обрушаемос-ти), что соответствует также III классу устойчивости по классификации ВНИИ-1 (средне-устойчивые). При данных условиях возможно применение камерно-лавной системы разработки с пролетом очистной выработки 4-10 м. С учетом перехода породы из мерзлого состояния в талое рекомендуется поддержание кровли выработок при помощи крепи или закладки.

Л и т е р а т у р а

1. Петрова Л. В., Николаева А. А. Отчет по Гранту Президента Республики Саха (Якутия) для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов на тему «Исследование устойчивости породного массива очистных камер месторождений криолитозоны».

2. Рабочий проект на проведение разведки погребенного россыпного месторождения «Солур-Восточная» в Мало-Боту-обинском алмазоносном районе в 1999-2004 гг. (дополнение № 2 - проведение разведки и опытно-промышленной отработки месторождения «Солур-Восточная» подземным способом). Пояснительная записка. Книга 1. Шифр 3889. - Мирный, 2001. - 110 с.

3. Губинский Н. О. Определение рейтинга массива горных пород по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазного месторождения // Вестник МГТУ - Том 12. - № 4. - 2009 - С. 694-701.

4. Laubscher D. H. A geomechanics classification system for the

rating of rock mass in mine design // Journal of the South African Institute of mining and metallurgy, vol. 90, no. 10. Oct. 1990. P. 257-273.

5. Laubscher D. H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses. Foundations for Design. Brisbane, 2000. - P. 475-481.

6. Грабчак Л. Г., Багдасаров Ш. Б., Иляхин С. В. и др. Горноразведочные работы: учеб. - М.: Высшая школа, 2003. - 661 с.

R e f e r e n c e s

1. Petrova L. V., Nikolaeva A. A. Otchet po Grantu Prezidenta Respubliki Sakha (Iakutiia) dlia studentov, aspirantov, molodykh uchenykh i spetsialistov na temu «Issledovanie ustoichivosti porodnogo massiva ochistnykh kamer mestorozhdenii kriolitozony».

2. Rabochii proekt na provedenie razvedki pogrebennogo rossypnogo mestorozhdeniia «Solur-Vostochnaia» v Malo-Botuobinskom almazonosnom raione v 1999-2004 gg. (dopolnenie № 2 - provedenie razvedki i opytno-promyshlennoi otrabotki mestorozhdeniia «Solur-Vostochnaia» podzemnym sposobom). Poiasnitel'naia zapiska. Kniga 1. Shifr 3889. - Mirnyi, 2001. - 110 s.

3. Gubinskii N. O. Opredelenie reitinga massiva gornykh porod po geomekhanicheskoi klassifikatsii D. Lobshira dlia uslovii almaznogo mestorozhdeniia // Vestnik MGTU. - Tom 12. - № 4. -2009 - S. 694-701.

4. Laubscher D. H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design // Journal of the South African Institute of mining and metallurgy, vol. 90, no. 10. Oct. 1990. P. 257-273.

5. Laubscher D. H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses. Foundations for Design. Brisbane, 2000. - P. 475-481.

6. Grabchak L. G., Bagdasarov Sh. B., Iliakhin S. V. i dr. Gornorazvedochnye raboty: ucheb. - M.: Vysshaia shkola, 2003. - 661 s.