Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке двух сближенных рудных тел на Шерегешевском месторождении

УДК 622.22

А.А. Еременко, Л.Н. Гахова, А.И. Конурин, В.Н. Колтышев, В.Б. Приб, Е.Е. Узун

ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТРАБОТКЕ ДВУХ СБЛИЖЕННЫХ РУДНЫХ ТЕЛ НА ШЕРЕГЕШЕВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

Дана оценка геомеханического состояния массива горных пород на Шерегешевском месторождении (Горно-Шорского филиала АО «Евразруда») электрометрическим методом и математического моделирования. Определены субвертикальные и субгоризонтальные напряжения во вмещающем массиве горных пород выработанных пространств участков Подрусловый и Новый Шерегеш. Определены районы, потенциально склонные к толчкам в шахтном поле в зоне и вне зоны ведения горных работ, выполнено математическое моделирование НДС массива горных пород. Показано, что напряженное состояние массива в окрестности залежи Подрусловой характеризуется значительной разгрузкой от действия как субгоризонтальных, так и субвертикальных напряжений вдоль боковых границ по простиранию рудной залежи, в то же время, в торцах залежи — концентрация напряжений. Характер распределения напряжений вблизи залежей участков Новый Шерегеш аналогичен. Установлено влияние расположенного рядом крупного тектонического нарушения (разлома) на распределение напряжений. Определены зоны концентрации вертикальных и горизонтальных напряжений во вмещающем массиве горных пород вокруг выработанного пространства участка Подрусловый.

Ключевые слова: месторождения, руда, технологии, горные работы, напряженное состояние, динамические явления, горный удар, безопасность горных работ.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-67-75

На Шерегешевском месторождении подготовительно-нарезные работы проводились на гор. +255^+120 м; буровые работы на 10 горизонтах: +255^ ^+115 м, при этом суммарная протяженность глубоких скважин составила более 266 км. Крепление выработок производилось торкрет-бетоном, железобетонным креплением 1181 м3 и анкерным с сеткой (более 28 тыс. м2). Было произведено 5 массовых и более 370 технологических взрывов на участках «Подрус-

ловый», «Новый Шерегеш» и Юго-Западном рудном теле (рис. 1) [1—3].

Оценка НДС массива горных пород и степени удароопасности осуществлялась микросейсмическим (сейсмостан-ция «Шерегеш»), электрометрическим и естественного электромагнитного излучения системами и приборами РЕЛОС-Р/Ш 32, ERA-MAXИ.

С использованием данной аппаратуры зарегистрировано более 900 толчков (рис. 2), электрометрический коэффици-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 1. С. 67-75. © А.А. Еременко, Л.Н. Гахова, А.И. Конурин, В.Н. Колтышев, В.Б. Приб, Е.Е. Узун. 2018.

Рис. 1. Схема расположения рудных участков на месторождении

llldf.irflii

МзгатэР 1 игм

2Э203 -I

iillXKl-4

?B803 -I

-I

296«H

2<140П -I

-1-1-1-

ЮЭСО

1SH>3 16&30 17-300 1720D 174ГУ1 1*603 174t» 1800Я 1&M0

1*403

Энергии

Дж

ICO ко MU - KU

¡TO KOS 1 CK Жй KIK  :UCU

кос io:»-10003

гэеоз -I

Рис. 2. Карта сейсмической активности за период 01.01.2016-30.06.2016

Рис. 3. Субвертикальные и субгоризонтальные напряжения

ент изменялся от 1,3 до 1,6 (Крср = 1,34) по гор. +255^+115 м. Большое количество сейсмособытий наблюдалось в феврале месяце по участку «Главный» — более 300 и «Новый Шерегеш» — более 70 (МВ по бл. 9, Q = 83 т). Геодинамические явления проявлялись в форме заколо-образования, стреляния, шелушения на гор. +185-+255 м в ходовой сбойке № 4, в штреке, в забое, буровой заходке и др.

В связи с тем, что определены районы, потенциально склонные к толчкам, в шахтном поле в зоне и вне зоны ведения горных работ на участках «Подрусловый» и «Новый Шерегеш», выполнено математическое моделирование НДС

массива горных пород, т.к. этот метод является наиболее экономичным и оперативным в сравнении с экспериментальными исследованиями.

Напряжения в массиве определяются весом пород и коэффициентом бокового отпора в ненарушенном массиве [4—6]. На глубине 400 м и более в вертикальном направлении действует напряжение С = уН, где Н — глубина, м, у — удельный вес пород. В локальной системе координат горизонтальные напряжения: сх = = ^1уН; су = 12уН, где 12 — коэффициенты бокового отпора. Для условий месторождения интегральная характеристика у = 2,95 г/см2, Х1 = 3,8, Х2 = 5,0. Следовательно, для нетронутого массива на глубине с0х = 49,9, МПа, с0у = 66,3 МПа.

Результаты расчетов, выполненных с применением метода граничных интегральных уравнений, представлены в виде графиков изолиний компонентов тензора напряжений (сх, су) и напряжениями сз (сдвигающими напряжениями), сравниваемыми со сцеплением массива и позволяющими для анализа воспользоваться критерием разрушения Кулона-Мора [7, 8]:

Рис. 4. Зона неупругих деформаций

ст, — а.

2cos ф

ст

ст

^ф

=

Рис. 5. Субвертикальные и субгоризонтальные напряжения

где а1 > а2 > а3 — главные напряжения; Ф — угол внутреннего трения.

Так как сцепление массива изменяется в диапазоне 16-36 МПа, то с учетом коэффициента структурного ослабления критическая величина акритз принимается для слабых пород 2 МПа (а5 >

> 2 МПа), для крепких — 11 МПа (а8 >

> 11 МПа) [9—11].

Напряженное состояние массива в окрестности залежи «Подрусловой» (рис. 3) характеризуется значительной разгрузкой от действия как субгоризонтальных, так и субвертикальных напряжений вдоль боковых границ по простиранию рудной залежи, в то же время, в торцах залежи — концентрация напряжений (ах до 100 МПа, ау до 180 МПа). Зоны неупругих деформаций, в основном, формируются вдоль протяженных боковых границ залежи (рис. 4).

Характер распределения напряжений вблизи залежей участков «Новый Шерегеш» аналогичен: в окрестности боковых границ по простиранию рудных тел массив разгружен от действия субгоризонтальных и субвертикальных напря-

жений; в торцевой часть массива, наиболее удаленной от залежи «Подрусловой», концентрация ах достигает 100 МПа, ау — 200 МПа (рис. 5). Вблизи залежи «Подрусловой» со стороны нетронутого массива в торце ау достигает 120 МПа, ах сопоставимо с субвертикальными напряжениями нетронутого массива. В массиве между залежами «Нового Ше-регеша», расположенными по простиранию основного рудного тела, а достигает

Рис. 6. Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства

V - / I 4

Рис. 7. Субвертикальные и субгоризонтальные напряжения

210 МПа, ах — 80 МПа, при этом градиент субгоризонтальных напряжений в межзалежном целике — от -80 МПа до -10 МПа.

Расположенное вблизи протяженной боковой границы основного рудного тела часть залежи «Новый Шерегеш» находится в зоне разгрузки от действия ах, ау. Исключение — наиболее удаленная от основной части залежи его часть, где ах сопоставимо с субгоризонтальными напряжениями нетронутого массива (рис. 6).

Зоны неупругих деформаций в окрестности залежи «Новый Шерегеш» форми-

Рис. 8. Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства

руются вдоль протяженных ее границ и охватывают значительную часть массива между рудных тел залежи (рис. 6).

Определен характер и закономерности распределения напряжений во вмещающем массиве в районе участков «Подрусловый» и «Новый Шерегеш» с учетом влияния крупного тектонического нарушения. На рис. 7 представлено распределение субвертикальных и субгоризонтальных напряжений в районе расположения тектонического нарушения. Субвертикальные напряжения в зоне расположения нарушения колеблются от 0 до -40 (-100) МПа, а субгоризонтальные от -10 до -20 (-30) МПа. Зоны неупругих деформаций от участков «Подрусловый» и «Новый Шерегеш» достигают нарушения на расстояниях 25—80 м и более (рис. 8), что может способствовать проявлению горного давления в динамической форме [12—16].

Выводы

Установлено, что во вмещающем массиве горных пород выработанных пространств участков «Подрусловый» и «Новый Шерегеш» субвертикальные напряжения колеблются от 0 до -40 (-100) МПа, а субгоризонтальные — от -10 до -20

(-30) МПа. Данному распределению напряжений способствует рядом расположенное крупное тектоническое нарушение (разлом). Здесь также зоны неупругих деформаций от участков «Подрусловый» и «Новый Шерегеш» достигают нарушения на расстояниях 25—80 м и более, что способствует проявлению горного давления в динамической форме. Определены зоны концентрации вертикальных и горизонтальных напряжений во вмещающем

массиве горных пород вокруг выработанного пространства участка «Подрусловый». Установлено, что максимальные (-80--120 МПа) напряжения в плане формируются на флангах рудного тела; в центральной части -30--50 МПа; зоны неупругих деформаций располагаются от бортов выработанного пространства со стороны лежачего бока на расстоянии 8—12 м, висячего — 40—50 м и более.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Еременко А. А., Еременко В. А., Гайдин А. П. Совершенствование геотехнологии освоения железорудных удароопасных месторождений в условиях действия природных и техногенных факторов. — Новосибирск: Наука, 2008.

2. Башков В.И., Штирц В.А., Еременко А.А., Конурин А.И. Оценка геомеханического состояния массива горных пород при производстве массовых взрывов на удароопасном рудном месторождении Горной Шории // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2015. — № 2. — С. 205—213.

3. Еременко А.А., Гахова Л. Н. Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке подэтажей с закладкой и без закладки выработанного пространства // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2016. — Т. 1. — № 3. — С. 56—61.

4. Фрейдин А. М., Неверов С.А., Неверов А.А., Конурин А. И. Геомеханическая оценка геотехнологий подземной добычи руд на стадии проектных решений // Горный журнал. — 2016. — № 2. — С. 39—45.

5. Еременко В.А., Есина Е. Н., Семенякин Е. Н. Технология оперативного мониторинга напряженно-деформированного состояния разрабатываемого массива горных пород // Горный журнал. — 2015. — № 8. — С. 42—47.

6. Лушников В. Н., Сэнди М. П., Еременко В. А., Коваленко А. А., Иванов И. А. Методика определения зоны распространения повреждения породного массива вокруг горных выработок и камер с помощью численного моделирования // Горный журнал. — 2013. — № 12. — С. 11—16.

7. Eremenko V.A., Neguritsa D. L. Efficient and active monitoring of stresses and strains in rock masses // Eurasian Mining. — 2016. — no 1 (25). — pp. 21—24.

8. Gunzburger Y., Magnenet V. Stress inversion and basement-cover stress transmission across weak layers in the Paris basin, France // Tectonophysics, 617. — 2014. — pp. 44—57.

9. Potvin Y., Giles G. The development of a new high-energy absorption mesh // Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series. — 2008. — pp. 89—94.

10. Фрейдин А. М., Неверов С. А., Неверов А. А., Конурин А. И. К обоснованию выбора и определению параметров геотехнологий добычи руд с учетом вида напряженно-деформированного состояния горных пород // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — Т. 4. — № 3. — 2017. — С. 180—185.

11. Shaposhnik Yu. N., Konurin A. I., Neverov S. A., Neverov A.A., Shaposhnik S. N. Justification of mine working supports in terms of the rating classification of norwegian geotechnical institute / 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2016: science and technologies in geology, exploration and mining, vol. II, jun. 30-jul. 06, 2016. Albena, Bulgaria. Pp. 519—526.

12. Camelbeeck T., de Viron O., Van Camp M., Kusters D. Local stress sources in Western Europe lithosphere from geoid anomalies // Lithosphere. — 5 (3). — 2013. — pp. 235—246.

13. Hofmann H., Weides S., Babadagli T., Zimmermann G., Moeck I., Majorowicz J., Unsworth M. Potential for enhanced geothermal systems in Alberta, Canada // Energy, 69. 2014. pp. 578—591.

14. Шапошник Ю. Н., Неверов А.А., Неверов С. А., Никольский А. М. Оценка влияния накопившихся пустот на безопасность доработки Артемьевского месторождения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2017. — № 3. — С. 108—118.

15. Барнов Н. Г., Еременко В. А., Кондратенко А. С., Тимонин В. В. Обоснование параметров геотехнологии освоения коренных месторождений корунда в сложных условиях высокогорья // Горный журнал. - 2015. - № 11. - С. 42-47.

16. Balg C., Roduner A. Geobrugg AG: Ground support applications // Int. Ground Support Conf. AGH University. - Lungern, Switzerland, 11-13 September, 2013. urm

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Еременко Андрей Андреевич1 - профессор, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, e-mail: eremenko@ngs.ru, Гахова Лидия Николаевна1 - старший научный сотрудник, e-mail: gahoval@mail.ru,

Конурин Антон Игоревич1 - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: akonurin@yandex.ru, Колтышев Виталий Николаевич1 - научный сотрудник, Приб Валерий Викторович2 - кандидат технических наук, e-mail: valery.prib@evraz.com,

Узун Екатерина Евгеньевна2 - инженер участка ППГУ,

1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН,

2 Горно-Шорский филиал АО «Евразруда».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 1, pp. 67-75.

A.A. Eremenko, L.N. Gakhova, A.I. Konurin, V.N. Koltyshev, V.B. Prib, E.E. Uzun

GEOMECHANICAL ASSESSMENT OF ROCK MASS IN MINING TWO CLOSELY SPACED ORE BODY AT SHEREGESH DEPOSIT

Geomechanical condition of rock mass at Sheregesh deposit (Gornaya Shoria Division of EVRAZ-RUDA) is assessed using electrometry and mathematical modeling. Subvertical and subhorizontal stresses are determined in surrounding rock mass around mined-out stopes of Podruslovy and Novy Sheregesh ore bodies. Bumping-hazardous zones inside and outside the stoping zone within the minefields are identified, and mathematical modeling of stresses and strains in rocks is carried out. It is shown that stress state of enclosing rocks around Podruslovy ore body is characterized by considerable relaxation of both subhorizontal and subvertical stresses along the side boundaries strike-line the ore body, while the end faces of the ore body are exposed to stress concentration. The distribution of stresses at Novy Sheregesh ore body is the same. It is revealed that the nearby large tectonic disturbance (fault) influences appreciably the stress distribution. The concentration zones of vertical and horizontal stresses are determined in surrounding rock mass around stoping in Podruslovy rock mass. It is found that the maximal stresses of - 80 --120 MPa form at the ends of the ore body in plan and reach - 30 - - 50 MPa in its center; the inelastic strain zones occur at the distance of 8-12 m and 40-50 m and more from the stoping walls in the footwall and hanging wall, respectively.

Key words: deposits, ore, technologies, mining operations, stress state, dynamic events, rock bursts, mining safety.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-67-75

AUTHORS

Eremenko A.A1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director on Scientific Work, e-mail: eremenko@ngs.ru, Gakhova L.N1, Senior Researcher, e-mail: gahoval@mail.ru, Konurin A.I1, Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: akonurin@yandex.ru,

Koltyshev V.N.1, Researcher,

Prib V.B.2, Candidate of Technical Sciences,

e-mail: valery.prib@evraz.com,

Uzun E.E2, Engineer,

1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch

of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia,

2 Gorno-Shor branch of JSC «Evrazruda», 652971, Kemerovo region, p. Sheregesh, Russia.

REFERENCES

1. Eremenko A. A., Eremenko V. A., Gaydin A. P. Sovershenstvovanie geotekhnologii osvoeniya zhel-ezorudnykh udaroopasnykh mestorozhdeniy v usloviyakh deystviya prirodnykh i tekhnogennykh fak-torov (Improvement of geotechnology of development of iron ore impact-threatening deposits in conditions of natural and technogenic factors), Novosibirsk, Nauka, 2008.

2. Bashkov V. I., Shtirts V. A., Eremenko A. A., Konurin A. I. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk. 2015, no 2, pp. 205-213.

3. Eremenko A. A., Gakhova L. N. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk. 2016, vol. 1, no 3, pp. 56-61.

4. Freydin A. M., Neverov S. A., Neverov A. A., Konurin A. I. Gornyy zhurnal. 2016, no 2, pp. 39-45.

5. Eremenko V. A., Esina E. N., Semenyakin E. N. Gornyy zhurnal. 2015, no 8, pp. 42—47.

6. Lushnikov V. N., Sendi M. P., Eremenko V. A., Kovalenko A. A., Ivanov I. A. Gornyy zhurnal. 2013, no 12, pp. 11—16.

7. Eremenko V. A., Neguritsa D. L. Efficient and active monitoring of stresses and strains in rock masses. Eurasian Mining. 2016. no 1 (25). pp. 21—24.

8. Gunzburger Y., Magnenet V. Stress inversion and basement-cover stress transmission across weak layers in the Paris basin, France. Tectonophysics. 2014, 617, pp. 44—57.

9. Potvin Y., Giles G. The development of a new high-energy absorption mesh. Australasian Institute of Mining and Metallurgy Publication Series. 2008. pp. 89—94.

10. Freydin A. M., Neverov S. A., Neverov A. A., Konurin A. I. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk, vol. 4, no 3. 2017, pp. 180—185.

11. Shaposhnik Yu. N., Konurin A. I., Neverov S. A., Neverov A. A., Shaposhnik S. N. Justification of mine working supports in terms of the rating classification of norwegian geotechnical institute. 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2016: science and technologies in geology, exploration and mining, vol. II, jun. 30-jul. 06, 2016. Albena, Bulgaria. Pp. 519—526.

12. Camelbeeck T., de Viron O., Van Camp M., Kusters D. Local stress sources in Western Europe lithosphere from geoid anomalies. Lithosphere. 2013. 5 (3). pp. 235—246.

13. Hofmann H., Weides S., Babadagli T., Zimmermann G., Moeck I., Majorowicz J., Unsworth M. Potential for enhanced geothermal systems in Alberta, Canada. Energy. 2014, 69, pp. 578—591.

14. Shaposhnik Yu. N., Neverov A. A., Neverov S. A., Nikol'skiy A. M. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2017, no 3, pp. 108—118.

15. Barnov N. G., Eremenko V. A., Kondratenko A. S., Timonin V. V. Gornyy zhurnal. 2015, no 11, pp. 42—47.

16. Balg C., Roduner A. Geobrugg AG: Ground support applications. Int. Ground Support Conf. AGH University. Lungern, Switzerland, 11—13 September, 2013.

FIGURES

Fig. 1. Layout of the ore mining sites at the deposit.

Fig. 2. Map of seismic activity over a period from 1 Jan to 30 Jun 2016.

Fig. 3. Subvertical and subhorizontal stresses (MPa) in the local coordinate system, Podruslovy site.

Fig. 4. Inelastic strain zone (1) in the influence zone of stoping (2).

Fig. 5. Subvertical and subhorizontal stresses (MPa) in the local coordinate system, Novy Sheregesh site.

Fig. 6. Inelastic strain zones in the influence zone of stoping.

Fig. 7. Subvertical and subhorizontal stresses (MPa) in the local coordinate system.

Fig. 8. Inelastic strain zones in the influence zone of stoping.