Исследование геомеханических условий массива горных пород Олёкминского гипсового месторождения с целью обоснования параметров геотехнологии

УДК 622.831

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ОЛЁКМИНСКОГО ГИПСОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

© Р.В. Криницын1, С.В. Худяков2, А.А. Давиденко3, А.Н. Авдеев4

1,2Институт горного дела Уральского отделения РАН, 620075, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58. 3,4Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Изложены результаты исследований геомеханических условий на гипсовом руднике «Олёкминский». В ходе исследований проведена оценка геологического строения, физико-механических свойств комплекса пород и руд. С применением метода щелевой разгрузки определены природные напряжения массива горных пород. Обоснованы граничные условия для решения геомеханических задач. Проведено математическое моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов камерной системы разработки. На основе результатов исследований обоснованы параметры устойчивых целиков и обнажений очистных камер.

Ключевые слова: гипсовое месторождение; горно-технические условия; физико-механические свойства; напряженное состояние; параметры конструктивных элементов; камерная система разработки.

GEOMECHANICAL CONDITION STUDY OF OLEKMINSKY GYPSUM DEPOSIT ROCK MASSIF

TO VALIDATE GEOTECHNOLOGY PARAMETERS

R.V Krinitsyn, S.V. Khudyakov, A.A. Davidenko, A.N. Avdeev

Mining Institute UB RAS,

58 Mamin-Sibiryak, Ekaterinburg, 620075, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The results of geomechanical condition studies of the "Olekminsky" gypsum deposit are introduced. The article examines geological structure, physical and mechanical properties of rocks and ores. Natural stresses of the rock massif have been estimated using the method of slice unloading. Boundary conditions for the solution of geomechanical tasks are justified. A mathematical modeling of the stress-strain state of room-and-pillar system structural elements has been performed using the finite element method. Parameters of sustainable pillars and stope exposure are justified on the basis of the research results.

Keywords: gypsum deposit; mining conditions; physico-mechanical properties; stress; parameters of structural elements; room-and-pillar system.

В 2014 г. институты ИГД УрО РАН и ИрГТУ (сегодня ИРНИТУ) проводили комплексное исследование геомеханических процессов на гипсовом руднике «Олёкминский» (Республика Саха-Якутия).

Эффективность и безопасность разработки рудников значительно зависят от характера и величины горного давления, а также от принятого метода управления им. Одним из главных факторов, влияющих на характер и величину горного давления в конструктивных элементах систем разработки, являются техногенные напряжения горных пород в окрестности очистных камер и междукамерных целиков. Величина их зависит от горногеологических и горнотехнических условий отработки месторождения, первоначального

(природного) напряженного состояния массива.

В естественном состоянии массив горных пород представляет собой сложную механическую среду, состоящую из слоев с различными физико-механическими свойствами, которые, в свою очередь, неоднородны, анизотропны и ослаблены естественной трещиноватостью. Проведение выработок в массиве горных пород нарушает его естественное напряженное состояние, в результате чего горные породы в зоне влияния горных работ деформируются. Поэтому для обеспечения устойчивости подземных выработок необходимо своевременно выявлять закономерности распределения техногенных напряжений в процессе разработки месторождения.

1-

Криницын Роман Владимирович, научный сотрудник, тел.: (343) 3509424. Krinitsyn Roman, Researcher, tel.: (343) 3509424.

2Худяков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел.: (343) 3509424. Khudyakov Sergei, Candidate of technical sciences, Senior Researcher, tel.: (343) 3509424.

3Давиденко Алексей Але^андрович, горный инженер, аспирант, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu Davidenko Aleksei, Mining Engineer, Postgraduate, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 .gor@istu.edu

"Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, 89148966804, e-mail: 1.gor@istu.edu

Avdeev Arkady, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail: 1 .gor@istu.edu

В геологическом отношении Олёкминское месторождение гипса находится в сводной части Олёкмин-ской структуры на пологом юго-восточном крыле Березовского прогиба. Продуктивный пласт гипса залегает в массивных кремнистых доломитах Метегерской свиты. Пласт в целом хорошо выдержан по простиранию, имеет общее падение в юго-западном направлении порядка 1,50. В перегибах пласта локального характера его падение не превышает 4-50 (рис. 1). Мощность пласта изменяется от 6,3 до 11 м, в среднем составляя 8,4 м.

Строение продуктивного пласта гипса однородно. Трещиноватость проявлена незначительно. Мелкозернистая, массивная структура гипсов промышленного слоя гипсов обусловливает их высокую вязкость. Вследствие высокой вязкости продуктивного слоя, породы весьма устойчивы и допускают значительные обнажения, сохранившиеся в течение многих лет без видимых нарушений кровли и бортов выработок (по практическим данным многолетних наблюдений).

В кровле продуктивного пласта залегают аргиллиты и алевролиты мощностью около 4,5 м. Отложения эти пронизаны густой сетью (1,2 см, реже 2 см) прожилок гипса, которые как бы образуют скрепляющий каркас. По трещинам, выполненным гипсом, породы раскалываются с трудом. Лишь на участках карста, где гипс из трещин выщелочен, породы становятся непрочными и подвержены обрушению.

На устойчивость конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки значительное

влияние оказывают физико-механические свойства горных пород. В ходе исследований были отобраны образцы горных пород (гипса) для определения этих свойств. Образцы были взяты с участков измерений первоначальных (природных) напряжений массива горных пород.

Были определены следующие показатели физико-механических свойств образцов месторождения: плотность, пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении, модуль упругости, коэффициент Пуассона, сцепление (коэффициент сопротивления сдвигу), угол внутреннего трения (табл. 1). Методики испытаний были приняты следующие. Плотность определяли в соответствии с ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. Определение предела прочности горных пород при одноосном растяжении ор выполнено путем разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующим, в соответствии с ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении. Предел прочности горных пород при одноосном сжатии ос определяли в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. Деформационные характеристики (модуль упругости Еу и коэффициент Пуассона) определяли в соответствии с ГОСТ 28985-91 Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.

Рис. 1. Геологическое строение месторождения. Разрез по скважинам 26, 9,13

Физико-механические характеристики Олёкминского месторождения

Таблица 1

Характеристика Значение

Средняя плотность, р, (т/м3) 2,32

Модуль упругости Е, ГПа, 36,47

Модуль деформации, Ед, ГПа 29,46

Коэффициент Пуассона ц 0,40

Предел прочности пород на сжатие асж, МПа 15,62

Предел прочности пород на растяжение ар, МПа 1,97

Сцепление, т, МПа 3,32

Угол внутр. трения ф, град. 35

Параллельно с лабораторными испытаниями образцов были изготовлены шлифы, по которым проведена петрографическая диагностика испытуемых пород с целью выяснения возможной взаимосвязи физико-механических свойств пород с их петрографическим составом, структурой и текстурой. Исследования шлифов выполнены с помощью поляризационного микроскопа Olympus BX-51 специалистами лаборатории геомеханики и физики горных пород ИрГТУ. Фотографии шлифов сделаны при скрещенных поляризаторах (рис. 2). По результатам петрографической диагностики выявлено, что образец, представленный для изучения, состоит из гипса на 95%, присутствуют незначительные включения кальцита и серицита в количестве 5%. Порода представлена прямолинейными и клиновидными блоками с неровными, «размазанными» границами, сложенными разноструктурными формами минерала.

В одних блоках он разнозернистый с размером кристаллов от 0,02 до 0,2 мм. По форме кристаллы пластинчатые, призматические разноориентирован-ные, содержат редкие чешуйки серицита и зерна кальцита. В других блоках гипс крупнокристаллический пластинчатый, неправильной формы с узорчатыми очертаниями границ кристаллов. Размеры форм

определяются десятыми долями миллиметра до 1-2 мм. Все блоки гипса обрамлены ромбическими и таблитчатыми зернами кальцита размером до 0,05 мм. Зерна сгруппированы в линейно вытянутые сгустко-вые образования, создающие директивное строение породы (рис. 2, а). Серицит тонкочешуйчатый развит гораздо реже кальцита, образует тонкие линзовидные субпараллельные формы, согласные с формами кальцита (рис. 2, б).

Основным методом получения количественных параметров геомеханических процессов в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях являются натурные исследования.

Для исследования напряженного состояния массива горных пород разработаны и широко применяются несколько методов, базирующихся на измерении деформации в массиве и расчете по ним напряжений с помощью теории упругости (методы полной и частичной разгрузки, измерения деформаций скважины и т.п.) или измерении давлений в устанавливаемых приборах и определении напряжений расчетом или с помощью тарировки (гидроразрыв и др.). Все эти способы трудоемки, имеют высокий диапазон (разброс) полученных данных и весьма трудозатратны.

Рис. 2. Микрофотографии двух шлифов гипса: а - образец № 1: светло-серое поле - гипс крупнокристаллический; темно-серые зерна - кристаллы кальцита. б - образец № 2: светло-серое поле - гипс разнозернистый; темно-серые зерна и полосы - тонкочешуйчатый серицит; в, г - образцы № 1 и 2, представленные

в поляризованном свете

Поэтому определение природных напряжений массива горных пород на Олёкминском руднике проводилось методом щелевой разгрузки [1], обладающим сравнительно небольшой трудоемкостью и большой информационностью. Зона разгрузки массива горных пород при этом методе достигает трех размеров щели. Следовательно, значительно уменьшается влияние разномодульности горных пород, входящих в эту зону, взаимодействия структурных блоков, их остаточных напряжений. Месторасположение станции измерения природных напряжений показано на рис. 3. Всего были измерены деформации на 7 разгрузочных щелях. Три из них проводились в штольне № 6 и четыре в камере № 166. Три щели было пропилено горизонтально, а четыре - вертикально. Щели создаются в форме полудиска с радиусом Rщ. = 0,3 м. По обеим сторонам щели устанавливалось два анкера-репера на расстоянии друг от друга 0,2 м. После оформления щелей были произведены замеры деформаций горных пород между реперами. Деформации измерены индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Учитывая погрешность исходных данных: расстояния между реперами - 0.5%, модуля упругости Е = 10%, Rщ - 3%, измеренной деформации - 2.5%, коэффициента Пуассона ц - 10% - окончательная погрешность определения природных напряжений составляет около 9%.

Напряжения на контуре выработки определялись по формуле

ДиЕж

а* =

где ДU - деформация пород после образования разгрузочной щели; Е - модуль упругости горных пород; ц - коэффициент Пуансона; Rщ - радиус щели; L - расстояние между измеряемыми реперками; К±, К - ко-

эффициенты концентрации напряжений в направлении соответственно перпендикулярно и параллельно щели.

Напряжения в массиве определялись по формулам:

^z(X) =

^z

К

а

z

az(11) "а±Kz(D) ,

z

К

z

а =

аК

а (Kz (z) -1) + aD (Kz (D) -1)],

ап =а„ -

где ctkZ(D), стк2(Ц) - вертикальные напряжения на контуре выработок, ориентированных соответственно вкрест и по простиранию рудного тела; акщ, стк(Ц) - горизонтальные напряжения на контуре выработок; Ккад, Ккад, KZ(|| ) - коэффициенты концентрации на контуре выработок в конкретных сечениях, рассчитанных с помощью ЭВМ по программе ELAST - 2 [2].

Расчет напряжений (табл. 2) позволяет отметить следующее: вертикальные и горизонтальные природные напряжения примерно равны и составляют минус 0,6-0,7 МПа, что отвечает гипотезе гидростатических напряжений А. Гейма и что, по-видимому, обосновано наличием многолетней мерзлоты на месторождении. Ранее в исследованиях авторов неоднократно отмечен тот факт, что многолетнемерзлые породы находятся в гидростатическом природном напряженном состоянии.

Рис. 3. Станция измерения природных напряжений массива горных пород

Таблица 2

Результаты определения природных напряжений на Олёкминском месторождении

№ точек замера ÄÜ-103, м Напряжения на контуре выработки, МПа Коэффициенты концентрации напряжений Напряжения в массиве, Мпа

к CTz к

1 0,13 -8,23 - - 2,26 — -0,81 -6,84 - -

2 0,08 - - -5,01 2,26 — -0,81 - - -7,33

3 0,09 - - -5,70 2,29 - -0,86 - - -8,02

4 0,06 - -3,80 - 2,29 -0,86 - - -6,59 -

5 0,11 -6,97 - - 2,29 -0,86 - -6,41 - -

6 0,12 -7,60 - - 2,29 -0,81 - -6,68 - -

7 0,08 - -5,01 - 2,26 -0,81 - - -7,80 -

Средние значения природных напряжений -0,67 -0,72 -0,77

Примечание. Знак «-» означает сжатие пород.

Размеры устойчивых обнажений кровли камер и междукамерных целиков определялись в процессе математического моделирования напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки методом конечных элементов с использованием программного комплекса FEM, разработанного профессором О.В. Зотеевым (ИГД УрО РАН). Программный комплекс FEM предназначен для решения плоских и объемных задач теорий упругости и пластичности методом конечных элементов [3, 4].

Исходными данными для моделирования служат значения первоначальных напряжений горного массива и физико-механических свойств пород (модуля деформации массива, коэффициента Пуассона пород, их начального угла внутреннего трения, сцепления, плотности, пределов прочности на сжатие и растяжение и др.), а также геометрическое положение горных выработок.

Геометрические параметры моделей, исходя из горногеологических и горнотехнических условий, были выбраны следующие (табл. 3, рис. 4).

Рис. 4. Схема модели при моделировании напряженно-деформированного состояния обнажений камер и целиков Олёкминского месторождения: а - вид сверху; б - разрез по короткой стороне целика. Параметры модели:

ширина целика - 4 м, высота камеры - 7 м

Геометрические параметры геомеханических моделей выемки пласта гипса на Олёкминском месторождении

Таблица 3

Геометрические параметры моделей Значение

Количество отрабатываемых камер 3

Высота камер, м 7-8,5

Ширина междукамерного целика, м 4-7

Длина междукамерного целика, м 10

Ширина просечки, м 5

Ширина камеры, м 10

Моделировалась отработка камер высотой 7, 8 и 8,5 м. Ширина камеры на руднике принята в соответствии с габаритами горнотранспортного оборудования и составляет 10 м. Рассчитывались варианты целиков шириной 7,5 и 4 м. По длине камеры в целиках через 10 м создаются просечки шириной 5 м.

Результаты моделирования для большей наглядности представляли в виде планов изолиний горизонтальных и вертикальных напряжений (рис. 5).

кровля камер, так и целики находятся в устойчивом состоянии. Однако необходим мониторинг состояния кровли и целиков в процессе отработки камер, так как от действия вертикальной нагрузки растягивающие напряжения в целиках достигают значений минус 14,5^-19,0 МПа. При уменьшении ширины целиков до 5 м при той же высоте камер в средней части целиков появляются небольшие горизонтальные растягивающие напряжения, однако они компенсируются сжима-

Рис. 5. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения в окрестности очистной камеры

Анализ результатов моделирования позволяет установить следующие основные закономерности горного давления в целиках и кровле камер:

- При высоте камеры 7 м в целиках шириной 4-7 м возникают значительные растягивающие горизонтальные напряжения, достигающие значений плюс 78 МПа. В кровле камер растягивающие напряжения отсутствуют, сжимающие не превышают предела прочности гипса на сжатие (16 МПа). Рассматривая вертикальные нагрузки, можно отметить, что при ширине целиков 4 м в верхней и нижней части целиков возникают сжимающие напряжения 18-20 МПа, превышающие предел прочности гипса на сжатие. Возможно частичное разрушение стенок целиков. В кровле камер отмечаются незначительные сжимающие вертикальные напряжения 5-8 МПа.

- При высоте камер 8 м и целиках шириной 7 м как

ющими вертикальными напряжениями, и целики будут также устойчивы.

- В целиках шириной 4 м при высоте камеры 8 и 8,5 м отмечаются сжимающие напряжения, достигающие значений 18,5-20 МПа, т.е. целики шириной 4 м находятся в неустойчивом состоянии. В кровле камер напряжения в целом близки к нулю.

Таким образом, при любой высоте камеры целики шириной 4 м будут разрушаться от значительных сжимающих напряжений. При высоте камер 8,5 м целики шириной 5 и 7 м устойчивы, сжимающие напряжения в них не превышают предела прочности гипса на сжатие 16 МПа.

Учитывая полученные закономерности распределения техногенных напряжений в обнажениях камер и междукамерных целиках, можно сделать следующие выводы:

- Целики шириной 4 м находятся в неустойчивом состоянии при любой фактической высоте очистной камеры.

- Целики шириной 5 и 7 м в целом будут устойчивы.

- Целики шириной 5 м, при их надлежащем оформлении, достаточны для обеспечения устойчивости массива.

- Целики шириной 7 м обеспечивают больший запас прочности массива, но увеличивают потери руды в

целиках.

Таким образом, руднику можно рекомендовать принять междукамерные целики шириной 5 м. Тем не менее стоит отметить, что в кровле и целиках возможны небольшие растягивающие напряжения, которые могут привести к заколообразованию. Поэтому необходимо в целях обеспечения безопасности горных работ проводить мониторинг устойчивого состояния пород кровли камер и своевременную оборку заколов.

Статья поступила 24.02.2015 г.

Библиографический список

1. Влох Н.П., Зубков А.В., Феклистов Ю.Г. Совершенство- ЛУ/ИГД СО АН СССР / рук. Машуков В.И. Новосибирск,

вание метода щелевой разгрузки. Диагностика напряженного состояния породных массивов: сб. тр. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983. С. 30-35.

2. Решение плоской задачи теории упругости для многосвязных областей. Текст программ 3533965. 0001 - 011201

1981. 57 с.

3. Шуплецов Ю.П. Прочность и деформируемость скальных массивов. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 195 с.

4. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 335 с.

УДК 504.058

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ БОГУЧАНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В РЕЗУЛЬТАТЕ НЕПОЛНОЙ ЛЕСОСВОДКИ НА ТЕРРИТОРИИ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

© С.А. Медведева1, Ю.А. Командирова2, Е.Ю. Панасенкова3

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

В модельных опытах, выполненных в лабораторных условиях, исследованы некоторые показатели качества и количества водных экстрактов неокоркованной древесины сосны и березы, как наиболее представительных пород древесины, затопленных в ложе Богучанского водохранилища на территории Иркутской области. Количество экстрактивных веществ, полученное за счет короткой экстрактивной экспозиции, пересчитанное на объем оставленных в ложе затопления древесины и пней, свидетельствует о том, что они будут опасным пролонгированным источником загрязнения вод Богучанского водохранилища, в том числе биогенными и фенольными компонентами. Согласно категоризации возникающего риска, выраженного через величину эколого-экономического ущерба, необходимы разработка и проведение мероприятий по защите чистоты вод водохранилища. Ключевые слова: моделирование; водохранилище ГЭС; древесина сосны и березы; экстракция; экологический ущерб.

MODELING ENVIRONMENTAL DAMAGE FROM BOGUCHANSKY RESERVOIR WATER CONTAMINATION DUE TO INCOMPLETE DISFORESTING IN THE IRKUTSK REGION S.A. Medvedeva, I.A. Komandirova, E.I. Panasenkova

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

Model experiments performed in laboratory conditions have studied some indicators of quality and quantity of water extracts of bark-free pine and birch as the most numerous species of wood submerged in Boguchansky reservoir bed in the Irkutsk region. The quantity of extractives obtained through the short extractive exposure calculated for the amount of wood and stumps left in the reservoir bed suggests that they will become a lasting source of Boguchansky reservoir water dangerous pollution with biogenous and phenolic compounds among others. According to the categorization of emerging risks expressed in terms of the environmental and economic damage it is necessary to develop and implement measures to protect the purity of the reservoir waters.

Keywords: modeling; HPP reservoir; pine and birch; extraction; environmental damage.

'Медведева Светлана Алексеевна, доктор химических наук, профессор кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 89027610272, e-mail: jrsam@mail.ru

Medvedeva Svetlana, Doctor of Chemistry, Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: 89027610272, e-mail: jrsam@mail.ru

2Командирова Юлия Андреевна, аспирант, тел.: 89501242400, e-mail: koma@pochtamt.ru Komandirova lulia, Postgraduate, tel.: 89501242400, e-mail: koma@pochtamt.ru

3Панасенкова Елена Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 89025796134, e-mail: panaska_84@mail.ru

Panasenkova Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: 89025796134, e-mail: panaska_84@mail.ru