Прогноз потенциальной удароопасности Кедровского золоторудного месторождения

УДК 622.831

ПРОГНОЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ УДАРООПАСНОСТИ КЕДРОВСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

1 9

© Е.Л. Сосновская1, А.Н. Авдеев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты исследований геомеханических условий массива горных пород Кедровского золоторудного месторождения. Получены физико-механические свойства пород и руд, выявлены закономерности формирования тектонических структур, натурными измерениями определены первоначальные напряжения горного массива. Оценена степень устойчивости горных пород по керну разведочных скважин. Произведена оценка напряженно-деформированного состояния горных выработок и очистных камер. По результатам исследований установлены критические глубины по проявлениям горного давления и сделан прогноз потенциальной удароопасно-сти на руднике.

Ключевые слова: золоторудные месторождения; физико-механические свойства горных пород; природные и техногенные напряжения; удароопасность.

FORECAST OF POTENTIAL ROCK-BUMP HAZARD AT KEDROVSKOYE GOLD MINE E.L. Sosnovskaya, A.N. Avdeev

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The results of studying geomechanical conditions of the rock massif of the Kedrovskoye gold mine are given. The authors have determined physical and mechanical properties of rocks and ores, revealed the formation regularities of tectonic structures and found primary stresses of the rock massif using field measurements. The stability degree of rocks is evaluated by the cores of exploration wells. The assessment is given to the stress-strain state of mines and stopes. The study results allowed to identify the critical depths by the manifestations of rock pressure and forecast potential rock-bump hazard in the mine.

Keywords: gold ore fields; physical and mechanical properties of rocks; natural and manmade stresses; rock-bump hazard.

ООО «Артель старателей Западная» разрабатывает месторождение Кедровское. Отрабатываются наклонные жилы малой мощности, залегающие в условиях многолетней мерзлоты. Мощность зоны мно-голетнемерзлых пород установлена до 250-300 м, средняя температура горных пород составляет от -3 до -5°С. На глубинах свыше 400 м отмечены участки талых пород. Выемка жил производится в основном следующими системами разработки: сплошной и комбинированной камерно-столбовой с креплением. Глубина разработки в настоящее время достигла 350-400 м, планируется понижение горных работ. В 2014 г. вышло «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (далее - Положение) [3]. В соответствии с требованиями указанного Положения возникла необходимость изучения геомеханических условий Кедровского месторождения с целью определения склонности массива горных пород к горным ударам. Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ) проводит исследования

геомеханического состояния горного массива на месторождении с 2002 г. Ранее были рассмотрены вопросы определения параметров устойчивых целиков и обнажений очистных камер. Однако вопросы склонности месторождения к горным ударам не анализировались.

В 2015 г. на руднике была произведена оценка геомеханических условий, наиболее влияющих на проявления горного давления в динамических формах: упругих и прочностных свойств горных пород, тектонической нарушенности, природных и техногенных напряжений [4]. Физико-механические характеристики горных пород, установленные в ходе исследования, представлены в табл. 1.

Породы и руды месторождения имеют среднюю плотность 2,77 т/м3, относятся к категории средней крепости. Коэффициент крепости по М.М. Протодья-конову изменяется в пределах 7-10, составляя в среднем 8,6. Предел прочности пород на сжатие равен 91,18 МПа. Пределы прочности на растяжение составляют 19,7 МПа. Угол внутреннего трения пород

1Сосновская Елена Леонидовна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu

Sosnovskaya Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development, 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 Arkadiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electromechanical Systems, tel.: (3952)405085, e-mail: 1.gor@istu.edu

Примечание. р - средняя плотность; о0Ж - предел прочности при сжатии; Ор- предел прочности при растяжении; Кхр - коэффициент хрупкости; ф - угол внутреннего трения; т - сцепление; !- коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову; ву- модуль упругости (модуль Юнга); р - коэффициент Пуассона.

Таблица 1

Физико-механические свойства горных пород месторождения Кедровское_

Наименование пород р, г/см3 Осж, МПа ор , МПа Кхр ф, град. т, МПа f еу, ГПа

Гидротермалит 2,78 114,66 24,91 4,6 25,9 35,7 10 - -

Биотитовый 2,71 83,85 20,39 4,1 23,4 27,1 8 70,25 0,20

гнейс

Андезит 2,78 99,84 20,45 4,9 26,8 30,6 9 94,13 0,24

Биотитмускови- 2,72 80,39 15,55 5,2 28 24,3 8 66,64 0,21

товый гнейс

Гидротермалит 2,8 97,75 19,54 5,0 27,6 29,6 9 73,20 0,21

Гидротермаль-

ноизмененный 2,85 96,45 21,93 4,4 24,9 30,5 9 78,41 0,20

диорит

Биотитовый 2,75 65,32 15,44 4,2 23,9 21 7 65,79 0,18

гранит

Среднее 2,77 ±0,03 91,18±10,86 19,74±2,29 4,6±0,3 25,8±1,2 28,4±3,3 8,6±0,7 74,74±7,07 0,21±0,01

значение

равен 25-26°. Сцепление пород - 28,4 МПа, модуль Юнга пород - 74,7 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,21. Для оценки склонности пород и руд к хрупкому разрушению использовался критерий Г.Н. Кузнецова. Породы разрушаются хрупко, если отношение предела их прочности на одноосное сжатие к пределу прочности на растяжение больше 6 [2]. Оценка потенциальной удароопасности показала, что породы месторождения не склонны к хрупкому разрушению. Средний коэффициент хрупкости Кхр составил 4,6-4,8, что меньше критерия хрупкости П.Г. Кузнецова, равного 6. Склонным к хрупкому разрушению оказался только один образец гидротермалита в водонасыщенном состоянии. Однако случаев проявления горного давления в динамической форме не выявлено.

Произведены измерения природных

ое =^Н; а„р =-1^Н; а„, =-1^Н;

- на жиле Осиновая-1

ае =^Н; аПр =-1 ^Н; оп_ =-0^Н,

где ав - напряжение вертикальное; апр - напряжение продольное (по простиранию рудного тела); ап - напряжение поперечное (вкрест простирания рудного тела); Y - плотность пород и руд, МН/м3; Н - глубина горных работ, м.

Для глубоких горизонтов в талых породах прогнозные напряжения будут аппроксимироваться формулами:

ав =^Н; оПр =-1^Н; а„, =-1,9 YH.

Таким образом, на основе установленных закономерностей изменения соотношений горизонтальных напряжений к вертикальным составлена матрица прогнозных природных напряжений Кедровского месторождения для глубин разработки от 100 до 600 м (табл. 3).

Результаты натурных измерений напряжений на месторождении Кедровское

Таблица 2

Ориентировка напряжения Глубина замера, м Теоретическое напряжение (по гипотезе А. Гейма), МПа Число единичных определений напряжения Измеренное напряжение, МПа Кпр - Опр/Ов Кп - Оп/Ов

Жила Баргузиновская, талые породы

Вертикальное 20 -10,3±1,1

Продольное 400 -11,1 8 -15,3±0,9 1,5 1,9

Поперечное 8 -19,9±4,3

Жила Осиновая-1, мерзлые породы

Вертикальное 10 -8,3±2,1

Продольное 300 -8,3 8 -11,6±3,8 1,4 0,6

Поперечное 8 -4,9±1,0

Среднее значение 1,45 1,25

Примечание. Кпр - коэффициент бокового распора по простиранию рудного тела; Кп -простирания рудного тела.

коэффициент бокового распора вкрест

Таблица 3

Прогнозные природные напряжения Кедровского месторождения_

Глубина разработки, м СТпр/СТв СТр/СТв Напряжение, МПа Криогенные условия

Ов оПр Оп

100 0,6 1,4 -2,9 -2,8 -3,9 Мерзлые породы

200 0,6 1,4 -5,7 -5,5 -7,8

300 0,6 1,4 -8,6 -8,3 -11,6

400 1,9 1,5 -11,4 -11,1 -16,6 Талые породы

500 1,9 1,5 -14,3 -13,9 -20,8

600 1,9 1,5 -17,2 -16,6 -24,9

Высокие значения коэффициентов бокового распора (Кпр и Кп) на глубинах свыше 300 м (1,5-1,9) свидетельствуют о наличии в горном массиве высоких тектонических напряжений. В гипотезе гидростатических напряжений А. Гейма эти коэффициенты равны единице. В гипотезе гравитационных напряжений А.Н. Динника - не превышают 0,5. Следовательно, в массиве горных пород Кедровского месторождения действуют гравитационно-тектонические напряжения.

В процессе исследований оценена степень устойчивости горных пород по керну разведочных скважин, пробуренных с поверхности. Специальный анализ фотографий керна Кедровского месторождения по трем скважинам (№ 150, 152, 155), пробуренным с

поверхности, показал следующую усредненную статистику распределения участков с различной удельной трещиноватостью в массиве (табл. 4).

Среднестатистическое значение интенсивности трещиноватости в горном массиве месторождения в пределах глубин разработки составляет 5,5 трещин на 1 пог. м. При этом в 74% массива горных пород интенсивность трещиноватости ниже средней. Это свидетельствует о том, что горный массив месторождения по категориям устойчивости можно классифицировать как устойчивый и среднеустойчивый. При этом следует учитывать, что многолетняя мерзлота, которая распространяется до глубин 300-350 м, будет оказывать благоприятное воздействие на устойчивость массива.

Классы интенсивности трещиноватости Количество трещин на 1 пог. м Средняя интенсивность по классу, количество трещин на 1 пог. м Распределение по классам, %

Скважина № 150

I 1-3 2 29

II 4-6 5 51

III 7-9 8 13

IV 10-12 11 6

V 13 и более 15 2

Скважина № 152

I 1-3 2 21

II 4-6 5 49

III 7-9 8 19

IV 10-12 11 6

V 13 и более 15 5

Скважина № 155

I 1-3 2 26

II 4-6 5 47

III 7-9 8 13

IV 10-12 11 8

V 13 и более 15 6

Итого по трем скважинам

I 1-3 2 25

II 4-6 5 49

III 7-9 8 15

IV 10-12 11 7

V 13 и более 15 4

Средневзвешенная по массиву интенсивность трещиноватости, 5,5

количество трещин на 1 пог. м

Таблица4

Распределение трещиноватости в горном массиве Кедровского месторождения _по скважинам, пробуренным с поверхности_

Примерно в 26% объема проходки подземных горных выработок в тектонически ослабленных зонах при отсутствии многолетней мерзлоты (на больших глубинах в талых обводненных породах, на отдельных локальных участках растепления) необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их устойчивости. В процессе исследований не выявлены участки массива горных пород, на которых отмечалось бы интенсивное дискование керна. Толщина дисков керна составляла более 5 см. Дисков толщиной от нескольких миллиметров до сантиметров, которые характеризовали бы наличие значительных тектонических напряжений, не выявлено. На основании этого можно сделать вывод о том, что горные породы на изучаемых глубинах - до 400 м, не имеют природных напряжений, при которых происходили бы горные удары. Следовательно, массив горных пород не является удароопасным.

Также сделан прогноз потенциальной удароопас-ности горных пород по керну разведочных скважин, пробуренных из горных выработок. Прогноз степени удароопасности по оценке дискования керна является базовым по требованиям Положения [3]. Напряженное состояние пород по дискованию керна количественно оценивается в зоне максимума опорного давления Х1 по соответствующей номограмме на основе зависимости 1ср/бдис =Я(0р/0сж), где I - толщина выбуриваемых из скважин дисков I, - диаметр керна. Иногда у обнажения образуется зона разрушенных пород (руд) Х2. Эта зона может возникать и в результате буровзрывных работ, причем дискования керна в этой зоне не наблюдается. По параметрам 1ср/бдис зоны Х1 и Х2 определяют категорию удароопасности участка горного массива. Анализ керна скважин, пробуренных из горных выработок на нижних горизонтах (глубина горных работ 300-400 м) на жилах Баргузиновская и Осиновая-1, позволил отметить следующее. Отношение 1ср/бдис в зоне максимума опорного давления составляет в среднем 0,2-0,3. Зона Х2 отмечается не во всех случаях, размер ее не превышает 0,5 м. Зона Х1 во всех случаях больше 6-10 м при высоте выработки Л, равной 3-4 м, т.е. при глубине скважины равной высоте выработки отношение толщины дисков к их диаметру составляет от 0,5 до 0,8 и более.

Таким образом, результаты исследований показывают, что горные выработки в пределах шахтного поля

по горным ударам имеют категорию «неопасно».

Произведена оценка напряженно-деформированного состояния горных выработок и очистных камер и на ее основе определена критическая глубина горных работ по динамическим проявлениям горного давления. Техногенные напряжения а, определены методом конечных элементов по программному комплексу FEM, разработанному проф. О.В. Зотеевым (ИГД УрО РАН).

По полученным значениям техногенных напряжений можно сделать прогноз удароопасности выработки из выражения:

доп

, доп _ а <а сж-

об I, а сжкуд<

где а сж - допустимые напряжения по проявлениям горных ударов, МПа; аобсж - предел прочности пород в образце на сжатие, МПа; куд - коэффициент удароопасности, равный 0,7 в соответствии с требованиями Положения.

Результаты определения критических глубин в одиночных горных выработках представлены на рис. 1.

Полученные данные позволяют отметить, что одиночные горные выработки являются неудароопас-ными до глубин 470-500 м. Горные работы ведутся до глубины 400 м и не достигают критических глубин по горным ударам.

Для определения критических глубин по проявлениям горного давления в горных выработках в зоне влияния очистных работ была промоделирована очистная камера, надштрековый и подштрековый целики, откаточный и вентиляционный штреки (рис. 2).

Поскольку надштрековые и подштрековые целики находятся в условиях объемного напряженного состояния, то значения техногенных напряжений, полученные по результатам моделирования, корректировались по методике проф. А.В. Зубкова на основе следующей зависимости [1, 5]:

Г цел 1 аи =\ai ~ап\-

Коб

где о-Цел - техногенные напряжения в целике, полученные по результатам моделирования, МПа; коб - коэффициент перехода от плоской к объемной геомеханической задаче, зависящий от соотношения размеров выработанного пространства по простиранию и падению рудного тела.

а б

Рис. 1. Зависимости полных напряжений а в наиболее опасных участках одиночных горных выработок от глубины горных работ Н: а - в выработках, расположенных по простиранию рудного тела; б - в выработках, расположенных вкрест простирания рудного тела; 1, 2, 3 - стенка, кровля, угол

кровли выработки соответственно; <?СЖ (здесь и далее в рис. 7, 8) - линия допустимых напряжений

по горным ударам

статочный игтрег

Рис. 2. Схемы модели выемки очистной камеры

По результатам исследований А.В. Зубкова [1] коэффициент коб определяется из уравнений:

коб

\ _ g Lnp1 Ln

1 _ g ~Ln ! Lnp

при 1Пр<и

коб =1 - е у при ц>и где 1.пр и 1.п - размеры выработанного пространства по простиранию и падению рудного тела соответственно, м.

Для принятых на месторождении размеров очистной камеры ко6 составит от 0,33 до 0,56 при отношении длины очистной камеры по падению и простиранию от 1,2 до 2,5, что уменьшает техногенные напряжения примерно в 1,5-2 раза.

Сравнительный анализ расчетных значений техногенных напряжений с допустимыми по проявлениям горного давления (рис. 3) позволяет отметить следующее.

Откаточный и вентиляционный штреки, расположенные в зоне влияния горных работ, находятся в устойчивом, неудароопасном состоянии на всех исследуемых глубинах. Напряжения в них - сжимающие. Полные напряжения в кровле камер также являются сжимающими, невелики по значению. Таким образом, кровля камер находится в неудароопасном состоянии. Напряжения в надштрековом и подштрековом целиках по характеру сжимающие и достигают значений, выше допустимых, на глубинах горных работ 490-500 м и более.

В практике рудника отмечались случаи обрушения отдельных блоков пород. Толщина обрушающихся пород находилась в пределах установленной зоны растягивающих напряжений, т.е. в пределах 0,5-1 м. Для обеспечения устойчивости на руднике применяется крепление кровли очистного пространства деревянными стойками или анкерной крепью [2].

Рис. 3. Техногенные напряжения в штреках: а - в зоне влияния горных работ; б - в кровле очистных камер; в - в надштрековых и подштрековых целиках

в

В соответствии с проектом оставляются внутри-блоковые целики, размеры которых обоснованы специалистами ИрГТУ в 2002 г. Было рекомендовано оставлять один внутриблоковый целик площадью 7 м2 для поддержания кровли очистной камеры площадью 150 м2. Следует отметить, что оставление указанных внутриблоковых целиков является отрицательным мероприятием при борьбе с проявлениями горного давления в динамических формах. Целики являются участками с высокими техногенными напряжениями. В породах, склонных к хрупкому разрушению, не исключены проявления горного давления в динамической форме. При значительных обнажениях очистного пространства возможны проявления воздушной волны от давления пород кровли при ее обрушении.

После отработки запасов камер и выемки внутри-блоковых, надштрековых и подштрековых целиков происходит накопление объемов подземных пустот. Подземные пустоты опасны по проявлениям обрушений пород кровли. Требуется своевременно применять меры безопасности. Основным мероприятием является погашение подземных пустот различными способами: поддержанием, локализацией, принудительным обрушением, закладкой очистного пространства.

На основании изложенного можно заключить следующее.

Произведена оценка прочностных и упругих свойств пород и руд тектонической нарушенности массива горных пород. Установлено, что породы и руды месторождения Кедровское не склонны к хрупкому разрушению под нагрузкой, т.е. не склонны к горным ударам.

На месторождении действуют природные гравитационно-тектонические напряжения. Разработана матрица природных напряжений для глубин от 100 до 600 м, которую рекомендуется использовать при обосновании параметров геотехнологий.

Расчетная критическая глубина по горным ударам для одиночных горных выработок составляет 470-500 м. Кровля камер находится в неудароопасном состоянии. Надштрековые и подштрековые целики не являются удароопасными, критическая глубина по проявлениям горных ударов составляет 490-500 м.

Концентраторами техногенных напряжений в очистном блоке могут быть внутриблоковые целики. Целики оставляются площадью 7 м2 и поддерживают кровлю площадью 150 м2. Случаев разрушения этих целиков в динамической форме не выявлено. Это можно объяснить тем, что породы и руды не склонны к хрупкому разрушению, их разрушение происходит в виде пластических деформаций.

Допустимые площади обнажения кровли составляют: при выемочной мощности жилы 1,2 м - 8,5 тыс. м2; при 2,0 м - 16,2 тыс. м2; при 3,0 м - 24,8 тыс. м2. Для повышения безопасности ведения горных работ рекомендуется подземные пустоты погашать способом локализации очистного пространства бутовыми полосами, а также путем регулируемого самообрушения кровли камер.

Следует отметить, что в процессе обследования горных выработок месторождения Кедровское внешних признаков удароопасности пород (руд) - интенсивного заколообразования, стреляний, а также ее проявлений (микроударов, собственно горных ударов) - специалистами ИРНИТУ и маркшейдерско-геологической службы рудника не наблюдалось.

Таким образом, сделан вывод, что Кедровское месторождение на действующих горизонтах на глубинах от 300 до 450 м не относится к месторождениям, склонным по горным ударам. Критическая глубина по горным ударам составляет 500 м.

По результатам исследований разработано «Заключение о потенциальной удароопасности Кедров-ского месторождения», утвержденное руководством рудника и согласованное с Ростехнадзором.

Исследования проведены в рамках госбюджетных НИР по заказу Министерства образования Российской Федерации: № 434 «Развитие научных основ, изысканий эффективных технологий подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных природно-климатических условия сибирских регионов»; № 1418 «Разработка теоретических основ и практических решений по минимизации риска при открытии и промышленном освоении месторождений с прерывистым распределением полезного ископаемого».

Статья поступила 23.10.2015 г.

Библиографический список

1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001. 335 с.

2. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. М.: Углетехиздат, 1947. 180 с.

3. Положение по безопасному ведению горных работ на

месторождениях, склонных и опасных по горным ударам;

утв. приказом Ростехнадзора от 02.12.2013 г. № 576. Серия

06. Вып. 7. М.: Изд-во ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014.

80 с.

4. Сосновская Е.Л., Сосновский Л.И. Прогноз потенциальной удароопасности жильных золоторудных месторождений на стадии строительства рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № 5. С. 94-101.

5. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П. Неганов, В.И. Коваленко, Б.М. Зайцев, Л.И. Сосновский [и др.]; под ред. В.П. Неганова. М.: Недра, 1995. 336 с.