Управление геомеханическим состоянием массива при отработке мощных рудных месторождений с высокоплотной закладкой

УДК 622. 272. 831: 622.34.031.4 Х.И. Аглюков

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ВЫСОКОПЛОТНОЙ ЗАКЛАДКОЙ

Семинар № 13

Гехнология с твердеющей закладкой позволяют решать две основные задачи: полноты извлечения запасов и сохранности подрабатываемых объектов. Однако как инструмент управления горным давлением, особенно при отработке мощных пологопадающих и наклонных месторождений, остается в «тени». Об этом, в частности свидетельствуют результаты замеров напряжений в искусственных массивах на рудниках Норильского комбината, Миньдякском и других рудниках. При отработке мощных пологопадающих и наклонных рудных месторождений искусственный массив находится фактически в зоне разгрузки, даже при достижении полной подработки. В силу особенностей технологии возведения монолитной закладки при пологом и наклонном падении залежи, податливости искусственного массива, последний не является полноценным инструментом управления горным давлением. Естественное напряжение перераспределяется и концентрируется в опорных зонах - рудных и породных разделительных целиках. Концентрация напряжений в которых достигает 3 у Н и более, создавая тем самым тяжелые условия поддержания подготовительных выработок.

Выработки, пройденные в разделительных и околоствольных целиках или в зонах их влияния на уровне вентиляционно-закладочных и откаточных горизонтов испытывают прогрессирующее влияние

опорного давления по мере сокращения целиков. В таких условиях в зависимости от прочности и структурного строения пород и руд, слагающих целики, выработки на одних участках оказываются в условиях сильной концентрации напряжений, когда их величина может приблизиться к мгновенной прочности руд или пород, создавая удароопасную ситуацию. На других, если массив представлен сильно нарушенными породами и рудами, разрушение выработок, главным образом, связано с неустойчивостью обнажений, склонностью массива к «расползанию» по тектоническим трещинам под действием опорных нагрузок. Величина максимальных напряжений в точке опорного давления при системах разработки с закладкой, по данным исследований ученых ВНИМИ, может превышать передел прочности в 3,2 раза. Существование таких напряжений без разрушения краевой части массива возможно только при объемном напряженном состоянии.

Для традиционной технологии с твердеющей закладкой характерно наличие временного лага - задержки, от нескольких месяцев до нескольких лет, между началом погашения выработанного пространства и нагружением искусственного массива. За этот период происходит перераспределение напряжений в массиве и интенсивное накопление упругой энергии, а также первоначальное расслоение и нарушение сплошности массива. Обычно,

все действия по предотвращению негативных последствий сводятся к борьбе со следствиями явления (усиленное крепление выработок, бурение разгрузочных скважин, создание разгрузочных щелей и прочее), а не причинами их возникновения.

По данным исследований ученых ИГД УрО РАН, массив пород до начала отработки залежи является подвижным. Относительную устойчивость ему придает плотная упаковка его элементов или блоков, разделенных тектоническими нарушениями и блоками [4]. В процессе отработки месторождения начинается нарушение плотности упаковки массива, приводящих к движению отдельных частей с разуплотнением первоначального состояния. Начальное уплотнение блочной структуры массива значительно изменяется. При извлечении рудного тела на большой площади локальные участки разуплотнения массива выстраиваются в зоны, вдоль которых происходит интенсивное неупругое деформирование массива.

С точки зрения преследуемой главной цели геомеханические процессы, происходящие при отработке месторождений, можно условно разделить на две группы. В первом случае преследуется цель погашения выработанного пространства путем обрушения пород налегающего массива. Развитие процессов разупрочнения рассматривается как позитивный фактор. Чрезмерная устойчивость подработанного массива, также как и недостаточная, создает дополнительные проблемы, с необходимостью принудительно обрушения пород налегающего массива. Во втором, напротив, преследуется цель минимизации негативного воздействия горных работ на разупрочнение массива. В этом случае принятые технологии отработки должны исключать зарождение очагов разупрочнения на ранней стадии отработки месторождения, являющихся причиной накопления упругой потенциальной энергии в зонах опорного давления. Как, например, показала практика камерно-целиковых

систем с открытым выработанным пространством, если первая половина задачи решается на начальном этапе отработки месторождения, то в последующем, по мере увеличения параметров подработки, эффективность процесса управления горным давлением падает ниже критической точки.

Изменить роль искусственного массива как активного несущего элемента возможно при использовании технологии отработки со сплошной уплотненной породно-твердеющей закладкой выработанного пространства [1, 2, 3]. В основе технологии лежит слоевая система разработки со сплошной выемкой, восходящим порядком отработки запасов и породной закладкой с использованием технологии динамического механизированного уплотнения. Технология с уплотненной, «забитой», породно-твердеющей закладкой позволяет изменить роль искусственного массива как действенного инструмента управления горным давлением. Уплотненная закладка начинает воспринимать горное давление практически сразу в процессе его возведения, является активным несущим элементом, в силу специфики ее уплотнения. Роль уплотненного искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханиче-ской ситуации на месторождении в процессе отработки. Увеличение размеров выработанного пространства уже не является необходимым условием работы искусственного массива как полноценной реакции отпора. Разработанный способ возведения искусственных массивов с механизированным динамическим уплотнением породной и породно-твердеющей закладкой позволяет эффективно управлять горным давлением, особенно при отработке запасов мощных рудных месторождений под ответственными охраняемыми объектами и в сложных горногеологических условиях.

При технологии с твердеющей закладкой отработка запасов разделительных целиков, массивов, на больших глубинах на мощных пологозалегающих месторождениях становится неблагоприятным фактором по мере развития фронта работ. По данным исследований ученых ВНИМИ, на рудниках Норильского ГМК возникают серьезные проблемы с поддержанием выработок, расположенных в зонах опорного давления. На Октябрьском месторождении особенность проявления горного давления в динамичной форме заключается в том, что с глубины 700 мв нетронутом массиве, вне зоны влияния очистных работ возникает шелушение, интенсивное заколо-образование и стреляния на обнажении одиночных выработок. Глубина разрушения контура выработок достигает 15-20 см. Толщина пластин при этом изменяется от 3 до 10 см. На глубинах 700 м и более в зонах опорного давления, особенно в местах пересечения подготовительных выработок, происходят горные удары с разрушением приконтурного массива. Разрушение массива сопровождается образованием и ростом трещин, которые распространяются субпараллельно контуру выработок.

По мере отработки разделительных массивов широтными фронтами и увеличения площади отработанных полей за счет соединения отработанных площадей шахтных полей 1 и 2 на руднике зафиксированы динамические проявления в форме толчков сравнительно небольшой энергии [5]. Анализ сейсмической активности показал, что 60 % толчков произошло в зонах сопряжения меридиональных и широтных фронтов в РМ-1, 20 % - в отработанном пространстве, 20 % - в нетронутом массиве. Учитывая, что выработанное пространство заложено твердеющими смесями, смещения блоков, а соответственно и сейсмическая энергия - сравнительно небольшие, относительно месторождений, где работы ведутся с открытым очистным пространством. Как правило, используются различные варианты усиленной крепи

выработок. При этом зачастую фактические размеры выработок существенно увеличиваются, по сравнению с проектными (до 25-40 %). В целом же, несущая способность искусственных массивов реализуется недостаточно, вследствие отсутствия надлежащего контакта с налегающим массивом по всей площади подработки. Но все же, главным фактором является недостаточная несущая способность твердеющей закладки и наличие недозак-ладки выработанного пространства. Модуль упругости закладки на порядок меньше модуля рудных целиков - в таких условиях совместная их «работа» при ограниченных размерах подработки невозможна. Главным несущим элементом часто остаются рудные разделительные целики. При технологии с твердеющей закладкой коэффициент концентрации напряжений в опорной зоне достигает трехкратного значения уН и более, а напряжения в искусственном массиве 0,3-0,4 уН, даже при достижении полной подработки. Искусственный массив в этой ситуации не является полноценным несущим элементом.

Технология с уплотненной закладкой [1, 2, 3] изменяет характер взаимодействия налегающего и искусственного массива, рис. 1. Одной из важных задач при отработке месторождений в условиях повышенного горного давления является необходимость эффективного воспрепятствия сдвижению пород висячего бока, с последующим чрезмерным накоплением энергии упругого сжатия. Существующие технологии не позволяют быстро локализовать накопление потенциальной энергии в начальной стадии процесса. При технологии с твердеющей закладкой проходит достаточно длительное время (десятилетия) прежде чем искусственный массив начнет воспринимать горное давление. Твердеющая закладка не создает необходимого подпора висячему боку на начальном этапе процесса разупрочнения массива при наклонном падении залежи. Технология возведения уплотненного искусст-

Рис. 1. Принципиальная схема управления горным давлением при системе разработки с твердеющей закладкой и уплотненной породно-твердеющей закладкой

венного массива позволяет практически без промедления использовать энергию уплотнения с целью компенсации накопления упругой энергии налегающего массива. Уплотненный искусственный массив в этом случае является активным несущим элементом и воспринимает давление пород висячего бока сразу на этапе очистной выемки.

Натурных наблюдений влияния уплотненной породно-твердеющей закладки на развитие процессов сдвижения при подземной разработке нет. Вместе с тем автор работы принимал непосредственное участие в проектировании, внедрении технологий с твердеющей закладкой, исследованиях процессов сдвижения на месторождениях Урала: Гайском, Нижне-

Тагильском, Миньдякском. Промышленные экспериментальные исследования процессов сдвижения на протяжении более десяти лет на каждом из месторождений приняты в качестве аналога влияния уплотненного искусственного массива на деформации земной поверхности и налегающего массива пород. Все эти месторождения являются мощными крутопадающими месторождениями и в той или иной мере отрабатывались со сплошной закладкой выработанного пространства. Аналогию с уплотненной закладкой можно проводить в силу того обстоятельства, что

при крутом падении залежи роль твердеющей закладки, как реакции опоры, достаточно близка уплотненной. С одной стороны это объясняется отсутствием не-дозакладки со стороны висячего бока, достаточным уплотнением при непрерывном процессе заполнения высоких камер смесью, с другой - в направлении вектора линии максимального сдвижения недозак-ладка отсутствует. Следует также отметить, несмотря на примерно равную пус-тотность твердеющей закладки и уплотненной - от 2 до 5 %, это качественно разная пустотность. Природа остаточной пус-тотности уплотненной закладки ее обусловлена процессами уплотнения и переуплотнения в результате воздействия значительных динамических нагрузок в условиях объемного сжатия. Структура уплотненного массива сродни предварительно напряженной сотовой конструкции. Эффект динамического воздействия на породную насыпку при уплотнении проявляется прежде всего за счет активного заполнения пустот более мелкими фракциями, смятия и уплотнения наиболее слабых частиц. В силу воздействия усилий не только в вертикальной, но и горизонтальной плоскости интенсивность заполнения существующих пустот заметно возрастает. В последующем происходит взаимодействие более прочных частей породной насыпки, интенсивно сопровождающихся процессами среза, смятия и сжатия. Высокие динамические нагрузки способствуют образованию достаточно высоких локаль-

Рис. 2. Схема взаимодействия сил на контакте налегающего массива и уплотненного искусственного массива

ных напряжений, приводящим к разрушению с последующим уплотнением.

Твердеющая закладка - напротив, представляет собой разгруженную конструкцию, и деформации ее при напряжениях, соизмеримых с давлением налегющей толщи пород на глубине 300-400 м составят не менее 3 %. В этой связи, с незначительной погрешностью, принятая схема сравнения работает в пользу повышения коэффициента запаса надежности разработанной технологии и может быть принята в качестве аналога в первом приближении.

Уравнение равновесия сил на контакте пород висячего бока и уплотненной по-родно-твердеющей закладки, рис. 2, имеет вид

Р хХхБша/ 8 = уНхсоБа, где Р - давление, создаваемое катком при уплотнении закладки, кН; 8 - площадь поверхности соприкосновения бандажа катка с поверхностью закладочного массива; X -коэффициент бокового распора уплотненной закладки; а - угол падения залежи; у -плотность пород налегающего массива; Н

- глубина горных работ на месте возведения искусственного массива.

Центробежная сила развиваемое бандажом катка та = - т* А*а>2 при

частоте колебаний 29 и 35 Гц , амплитуда

- 1,8/0,9 и 1,84/0,82 мм, составляет -320/250 кН, масса катка 18016 кг, (ВО-

MAG BW 217D-2), некоторые модели развивают до 500 кН.

Создаваемая путем динамического уплотнения реакция отпора искусственного массива по величине приближается к давлению пород на глубине порядка 350-400 м, рис. 2. Реакция отпора уплотненного породного массива носит активный характер, сродни гидравлической стойке, применяемой на пластовых месторождениях. Что практически исключает зарождение очагов разуплотнения налегающих пород, на начальной стадии отработки месторождения создаются благоприятные условия для последующих горных работ.

Послойное возведение массива с уплотнением «подбивает» висячий бок и практически компенсирует его вес. Разработанная технология не оказывает существенного возмущающего воздействия на естественное напряженное состояние массива. Экспериментальные исследования влияния уплотненной породно- твердеющей закладки на изменение напряженного состояния массива выполнены МКЭ и физического моделирования на эквивалентных материалах для условий Гологорского участка Саткинского месторождения магнезита. В настоящее время Гологорский карьер погашен и засыпан породами вскрыши, подземные работы ведутся под дном карьера с оставлением целика, рис. 3. Исследования произведены для двух схем отработки: с оставлением двадцати метрового рудного целика под дном карьера и без оставления целика со сплошной выемкой рудного тела. Вторая схема соответствует наиболее опасному варианту

Рис. 3. Схема моделируемого участка отработки Саткинского месторождения магнезита со сплошной уплотненной закладкой выработанного пространства

подработки - консольный тип провисания налегающей толщи пород. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4.

Данные экспериментальных исследований показывают, что технология с уплотненной породно-твердеющей закладкой выработанного пространства изменяет характер перераспределения напряжений в массиве, присущий традиционной технологии с твердеющей закладкой. Коэффициент концентрации в опорной зоне не превышает 1,1- 1,2 и достигает максимального значения 1,3-1,4 уН при отсутствии разделительного целика. Отсутствие целика под дном погашенного Гологор-

н* --ft# -*-ад -к-ад

3" Q. s ь* J Л*

6-3; к °Р 01 г

О О I * “ -200 -1 00 -Q5 ей егерей ✓OtyCCTBBEH 1 ЗФЬ l(-), зен :мш:ива 0 200 ырвэдокив л

ского карьера на границе с очистным пространством - консольный тип подработки. В случае оставления разделительного целика коэффициент концентрации не превышает 1,1-1,2 уН. Зона разгрузки в искусственном массиве не более 50-70 м, в то время как при технологии с твердеющей закладкой соизмерима с глубиной залегания, т. е. при достижении полной подработки.

Выводы

1. В разработанном способе управления горным давлением роль уплотненного искусственного массива сводится не к пассивному «ожиданию» увеличения размеров подработки, а «упреждающему» воздействию на неблагоприятное развитие геомеханической ситуации на месторождении в процессе отработки. Исключение временного лага между окончанием закладки и нагружением уплотненного закладочного массива принципиально изменяет место высокоплотных массивов, как эффективного инструмента

Рис. 4. Распределение давления на границе рудного и искусственного массивов: Ряд 1; Ряд 2 - с разделительным целиком под дном карьера; Ряд 3; Ряд 4 - без разделительного целика под дном погашенного Гологорского карьера

управления горным давлением.

2. Впервые разработан способ закладки, основанный на технологии механизированного динамического вибрационного уплотнения отсыпанных скальных пород, создающих активный характер восприятия давления пород висячего бока в полной мере на этапе очистной выемки.

3. Способ управления горным давлением с уплотненной закладкой, принципиально отличающийся от технологии литой монолитной закладки. Возведение пород-

1. Аглюков Х.И. Совершенствование технологии закладочных работ. Горный журнал. -2003. - №1. - С. 35-39.

2. Аглюков Х.И. Уплотненная закладка при отработке охранных целиков. Физико-технические проблемы разработки месторождений. Новосибирск - 2004, - 3. - С. 81-87.

3. Аглюков Х.И. Управление горным давлением с возведением высокоплотных искусственных массивов. //Известия вузов. Горный журнал, Екатеринбург. - 2004. - №5. - С. 9-15.

ной закладки с динамическим уплотнением создает предварительное напряженное состояние близкое по величине давлению налегающего массива на глубинах до 350400 м и компенсирует значительную часть горного давления. Коэффициент концентрации напряжений в опорной зоне не превышает 1,2 уН , а ширина зоны разгрузки в уплотненном массиве не более 70 м при достижении полной подработки.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Сашурин А.Д., Ермаков Н.И Влияние напряженного состояния массива горных пород на эффективность разработки месторождений. // Горный журнал. - 2003. - № 4-5. - С. 76-79.

5. Ламзин А.Н. Обоснование и разработка комплекса технологических мероприятий по предотвращению горных ударов при отработке разделительных массивов на больших глубинах рудников Октябрьского месторождения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - С.-Пб. ВНИМИ.- 2002. - 18 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------

Аглюков Х.И. - Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.