Применение аналитического и численного методов исследования для определения оптимальных параметров камер и целиков при отработке Ждановского месторождения

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.42-49 УДК 622.831

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО И ЧИСЛЕННОГО МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАМЕР И ЦЕЛИКОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ЖДАНОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

М. С. Кулькова

ФГБУН Горный институт КНЦ РАН

Аннотация

Эксплуатация Ждановского месторождения ведется с применением нескольких систем разработки в зависимости от горно-геологических условий. Так, в 2016 г. запасы Центрального рудного тела отрабатывались с помощью двух систем разработки: с подэтажным обрушением и с открытым очистным пространством. Применение системы разработки с открытым очистным пространством обусловливает проблему определения оптимальных размеров камер и целиков с точки зрения безопасности и эффективности горных работ. Для определения оптимальных параметров камер и целиков применялся аналитический метод с использованием методики ВНИМИ. Для исследований напряженно-деформированного состояния массива в районе проектного положения камер применялся метод численного моделирования в двухмерной упругой постановке, реализованный с помощью метода конечных элементов. Определено, что рассчитанные параметры являются оптимальными с точки зрения безопасности и эффективности горных работ. Ключевые слова:

Ждановское месторождение, численное моделирование, оптимальные размеры камер и целиков.

THE ANALYTICAL AND NUMERICAL RESEARCH METHODS FOR DETERMINING

THE OPTIMAL PARAMETERS OF STOPES AND PILLARS DURING THE ZHDANOVSKOE DEPOSIT MINING

Maria S. Kulkova

Mining Institute of KSC RAS

Abstract

The Zhdanovskoe deposit is developed by several mining methods depending on mining and geological conditions. In 2016 the reserves of the Central ore body were developed by the sublevel caving and stoping mining methods. The applying of the stoping method causes a task of determining the optimal sizes of stopes and pillars in terms of safety and the effectiveness of mining. The analytical method with the VNIMI guidance was implemented to determine the optimal parameters of stopes and pillars. The rock mass stress-strain state in vicinity of the stopes was studied with 2D numerical modelling in elastic conditions. The numerical modelling was implemented with a finite element method. It has been determined that the calculated parameters are optimal in terms of the safety and the effectiveness of mining.

Keywords:

Zhdanovskoe deposit, numerical modelling, optimal sizes of stopes and pillars.

A

Введение

Месторождение Ждановское расположено в Печенгском районе Мурманской обл. и содержит один из крупнейших запасов медно-никелевых руд в России. Месторождение отрабатывается подземным рудником «Северный» АО «Кольская ГМК». В отработку вовлечено шесть рудных тел: Юго-Западное, Западное, Центральное, Восточное, Юго-Восточное и Южное рудные тела [1]. Наиболее крупным по запасам и мощности является Центральное рудное тело (ЦРТ). Оно имеет юго-западное падение под углом

от 32° до 75°, средний угол падения — 51°, истинная мощность колеблется от 1 до 90 м и составляет в среднем 33 м. Вдоль всего лежачего бока массива простирается тектоническая зона, выполненная брекчиевидными рудами, вкрапленное оруденение занимает доминирующее положение в массиве.

В 2016 г. на горизонте -310 м ЦРТ проектом была запланирована отработка части запасов рудного тела с использованием системы с камерно-целиковым порядком отработки запасов [2]. В этом случае отработка запасов ведется в пределах этажей высотой 60 м камерами с оставлением временных междукамерных (МКЦ) и межэтажных целиков (МЭЦ). В пределах камеры выемка запасов осуществляется подэтажами высотой от 15 до 30 м [3]. Устойчивость целиков и вмещающих пород обеспечивается параметрами системы — пролетом камер и размерами целиков [4].

В связи с интенсивной отработкой запасов рудных тел и значительным увеличением глубины горных работ, происходит ухудшение геологических и горнотехнических условий разработки Ждановского месторождения. Таким образом, возникает необходимость изучения напряженно-деформированного состояния массива горных пород месторождения и более тщательной оценки параметров камер и целиков, при которых они остаются устойчивыми.

Методы исследования

На горизонте -310 м ЦРТ проектом было определено местоположение пяти камер, находящихся на противоположных флангах рудного тела — западном и восточном. На западном фланге расположены камеры К27 и К29, на восточном — камеры К(-7), К(-9) и К(-11). Их местоположение показано на рис. 1, а, б.

Рис. 1. Местоположение камер К27 и К29

а

б

Для определения безопасных размеров камер и междукамерных целиков применялся аналитический метод исследования. Сущность метода заключается в расчете требуемых параметров на основе методик, зарекомендовавших себя многолетним опытом применения при отработке запасов рудных тел на различных рудниках [5]. На данном этапе выполнялся расчет максимального допустимого пролета камер (Ь^) и максимального значения ширины целиков (а) на основании методики ВНИМИ. Значения bmax и а определялись на основе параметров камер, заданных при проектировании.

Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) массива в районе камер применялся метод численного моделирования [6, 7]. Исследования проводились для условий упругого изотропного массива горных пород в двухмерной постановке с помощью метода конечных элементов [8].

Были созданы две плоские модели. Для оценки устойчивости междукамерного целика рассматривалось вертикальное сечение по простиранию рудного тела. Схемы моделей представлены на рис. 2 (а и б), на котором показаны: область моделирования, камеры, целики, очистное пространство, геологическое строение и граничные условия.

а

Нетронутый массив, перидотиты б

Рис. 2. Схема модели в области камер К27 и К29

Физико-механические свойства пород Physical and mechanical properties of the rocks

Породы и руды Host rocks and ores Плотность, т/м3 Density, t/m3 Коэффициент Пуассона Poisson ratio Модуль упругости, ГПа Young's modulus, GPа

Вкрапленные руды (рудное тело) Porphyry ore 2,94 0,32 71

Диабазы Diabase 2,85 0,31 71

Перидотиты Peridotite 2,95 0,31 79

При задании граничных условий рассматривалось действие только веса вышележащих пород, при этом были заданы составляющие: вертикальная (Р = уН) и горизонтальная Q = (уН^), где у — вес пород, Н — глубина, £ — коэффициент бокового отпора.

Физико-механические свойства пород представлены в таблице. Породы в районе камер прочные — с минимальным пределом прочности на сжатие Осж ~ 100 МПа и минимальным пределом прочности на растяжение Ор ~ 10 МПа. В результате моделирования было получено поле напряжений в окрестности запланированных камер.

Результаты

Параметры камеры определяются ее размерами по длине I — вкрест простирания рудного тела, по ширине Ь — по простиранию рудного тела и по высоте к. Размеры камеры по длине ограничены контактами рудного тела. В районе камер К27 и К29 мощность рудного тела в горизонтальной плоскости достигает 50 м, в районе камер К(-7), К(-9) и К(-11) мощность рудного тела равна 45 м. Таким образом, для расчетов принимается размер камер по длине 50 и 45 м соответственно.

Исходя из технологических условий отработки запасов ЦРТ была предложена ширина камер Ь, равная 25 м. Для оценки данного параметра с точки зрения безопасности и устойчивости обнажения пород определен максимальный допустимый пролет Ьтах, который будет ограничивать возможную ширину камеры. При этом необходимым является условие отсутствия людей в очистном пространстве.

Устойчивость обнажений зависит от степени нарушенности пород и характеризуется параметром устойчивости г. Породы Центрального рудного тела характеризуются средней устойчивостью — параметр г = 10-13, однако для более консервативной оценки Ьтах и из соображений безопасности принимается заниженный параметр г = 9, характерный для слабоустойчивых пород.

По известным величинам г и I, найден максимальный допустимый пролет камеры по следующей формуле

Ь = .

тах 7 ~ V /

I - 2 г

Подставив значения г = 9 и I = 50 и 45 м соответственно в формулу (1), получим значение Ьтах для камер К27, К29 — 28,1 м, для камер К(-7), К(-9) и К(-11) — 30 м. Таким образом, предложенный размер Ь = 25 м находится в пределах допустимого значения пролета камеры, поэтому ширина всех камер принимается равной 25 м.

Для дальнейших расчетов необходимо определить высоту камер к. Так как по технологическим условиям максимально возможная высота камер составляет 40 м, то параметр к принимается равным 40 м.

Значение минимальной ширины целика (а) определено на основе методики ВНИМИ [4]. Согласно «Методическим указаниям...», условие прочности при расчете рудных целиков можно записать следующим образом:

Кн • Ка • у • Н(а + Ь) _ Косл • Кф1 • Кф2 • Кд • Осж а ~ K„

0

где Кн — коэффициент, учитывающий влияние размеров отрабатываемого участка; Ка — коэффициент, учитывающий влияние угла падения рудного тела; у — удельный вес пород; Н — глубина разработки; Косл — коэффициент структурного ослабления; Кф1, Кф2 — коэффициенты, учитывающие влияние отношения длины к ширине целика и ширины к высоте целика соответственно; Кд — коэффициент, учитывающий влияние времени; о — прочность породы

в образце; Кз — коэффициент запаса прочности; а — ширина целика; Ь — ширина камеры. Пусть

, = Кн •К • н •К з.

Косл • КД • °°ж

Учитывая, что при данных условиях Кф1 = 1 и Кф2 = 0,6 + 0,4 а/к, выражение (2) можно записать в следующем виде:

(а + Ь) а , ч

Ч

а п

где к — высота целика, равная высоте камеры, Ь — ширина камеры. При решении уравнения (4) относительно параметра а получено:

а = 1,25П

Далее определялись значения коэффициентов и других параметров в выражении (2).

Коэффициент Кн принимается равным 0,7, так как ширина отрабатываемого участка рудного тела Ь меньше глубины отработки Н, то есть Ь/Н < 0,8.

Коэффициент Ка при горизонтальном расположении камеры принимается равным 1.

Коэффициент структурного ослабления Косл принимается равным 0,35.

Коэффициент запаса Кз рассчитывается следующим образом:

Кз = Кз1 Кз2,

где Кз1 — коэффициент, учитывающий изменчивость среднемаксимальной прочности, равный 1,25; Кз2 — коэффициент, учитывающий возможное уменьшение площади поперечного сечения целика в натуре по сравнению с проектной, принимается равным 1,1.

Коэффициент запаса Кз равен:

Кз = Кз1Кз2 = 1,25 1,1 = 1,375.

Коэффициент, учитывающий влияние времени Кд принимаем равным 0,7, так как длительность стояния целика менее 3 лет.

Анализ физико-механических и прочностных свойств пород показал, что плотность основных пород продуктивной толщи не превышает 3 т/м3, а средняя прочность пород в образце не ниже 100 МПа. Таким образом, для расчетов принимаем у = 3 т/м3 и о 0Ж = 100 МПа.

Подставив рассчитанные коэффициенты и другие параметры в выражения (3) и (5), получаем значения ширины целиков а:

• для камер К27, К29 — 31,2 м;

• для камер К(-7), К(-9) и К(-11) — 33 м.

Таким образом, по расчетным данным, безопасная ширина целиков между камерами К27 и К29 равна 31 м и безопасная ширина целиков между камерами К(-7), К(-9) и К(-11) равна 33 м при ширине всех камер, равной 25 м.

Анализ горнотехнических условий отработки запасов в районе разрезов 27 и 29 показал, что вблизи будущих камер располагается очистное пространство вышележащего горизонта -254 м. Методика ВНИМИ, по которой определялись безопасные параметры камер и целиков, не учитывает возможного влияния данного очистного пространства.

Кроме расчетов безопасных параметров камер и целиков по методике ВНИМИ, было проведено исследование напряжений, действующих на контурах камер и в целиках, с помощью методов численного моделирования. Исследования проводились для упругого изотропного массива горных пород в двухмерной постановке.

Задача решалась для условий действия только собственного веса горных пород, так как в 2016 г. натурные исследования состояния массива на Ждановском месторождении не проводились и существовали данные о наличии только гравитационного типа поля напряжений.

В качестве физико-механических свойств пород были взяты усредненные значения для пород продуктивной толщи:

• удельный вес у — 3 т/м3;

• модуль упругости Е — 70 ГПа;

• коэффициент Пуассона V — 0,31.

Дневная поверхность задана на высотной отметке +120 м. Дно камер находилось на отметке -310 м. Ширина камер и целиков составляла соответственно 25 м и 31 м — для камер К27 и К29 и 25 м и 33 м — для камер К(-7), К(-9) и К(-11). В результате моделирования были получены данные о максимальной 01 и минимальной 02 компонентах главных напряжений.

На рис. 3, а, представлено распределение 01 в окрестностях камер и целиков в сечении, проходящем по простиранию рудного тела и пересекающем камеры К27 и К29.

Рис. 3. Распределение ci (а) и c2 (б) в вертикальном сечении камер К27 и К29 Fig. 3. The distribution of ci (а) and G2 (б) in vertical cross-section of the rooms K27 and K29

Как видно из рис. 3, а, основные зоны концентрации максимальных напряжений 01 располагаются в стенках камер и в целике. Значения 01 в этих зонах достигают 35-40 МПа. Несмотря на значительные величины 01, они не превышают половины предела прочности пород на сжатие 0сж. Данный факт свидетельствует об устойчивом состоянии целика.

Анализ минимальных напряжений 02 (рис. 3, б) показал, что в целике между камерами К27 и К29 напряжения 02 в основном являются сжимающими с незначительными зонами растяжений в стенках камер. Однако в углах и кровле камер есть зоны существенных растягивающих напряжений, значения 02 в которых достигают -5 МПа. Данные значения 02 приближаются к пределу прочности пород на растяжение, что свидетельствует о возможном прорастании трещин отрыва. С учетом уже существующей трещиноватости массива можно говорить о том, что в углах камер К27 и К29 и их кровли формируются условия для частичного разрушения приконтурного массива.

а

б

Таким образом, состояние массива горных пород в целике при данных условиях можно характеризовать как устойчивое. Возможные разрушения в кровле камер требуют исключить присутствие людей в очистном пространстве.

На рис. 4, а, представлено распределение 01 в окрестностях камер К(-7), К(-9), К(-11) и их междукамерных целиков.

а

б

Рис. 4. Распределение ci

Зоны концентрации напряжений располагаются в верхней и нижней части целика, при этом значения ci в этих зонах не превышают 20 МПа (рис. 4, а). Данные значения ci в несколько раз меньше предела прочности пород на сжатие Ссж, что говорит об устойчивом состоянии целика.

При анализе минимальных напряжений С2 (рис. 4, б) было установлено, что напряжения С2 в целиках в основном являются сжимающими с незначительными зонами растяжений в стенках камер. Также зоны растяжения наблюдаются и в кровле камер, однако во всех зонах растягивающие напряжения не превышают 1 МПа, что значительно ниже предела прочности пород на растяжение. При развитой трещиноватости возможно снижение прочности пород на растяжение и прорастание трещин отрыва в зонах действия растягивающих напряжений.

Таким образом, состояние массива горных пород в окрестностях камер и целиков при данных условиях можно характеризовать как устойчивое.

По результатам расчета параметров камер и целиков с помощью аналитического метода (методики ВНИМИ) и метода численного моделирования (анализа НДС массива горных пород в окрестностях камер) установлено, что при отсутствии людей в очистном пространстве безопасная ширина камер К27 и К29 составляет 25 м, целика между ними — 31 м, безопасная ширина камер К(-7), К(-9) и К(-11) составляет 25 м, целика между ними — 33 м.

Результаты

В работе проведено исследование аналитического и численного методов для определения оптимальных параметров камер и целиков при отработке Ждановского месторождения. На первом этапе для определения безопасных размеров камер и междукамерных целиков применялся аналитический метод исследования с использованием методики ВНИМИ. На основе полученных значений параметров камер и целиков для оценки напряженно-деформированного состояния массива в районе камер применялся метод численного моделирования. В результате моделирования установлено, что полученные величины параметров камер и целиков являются оптимальными с точки зрения безопасности горных работ. Успешный опыт отработки запасов ЦРТ в 2016 г. на горизонте -310 м камерно-целиковой системой подтверждает сделанный ранее вывод о безопасных параметрах камер и целиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков В. Н., Макеев В. И. История и перспективы развития минерально-сырьевого комплекса ОАО «Кольская ГМК» // Цветная металлургия. 2013. № 10 (850). С. 27-32. 2. Смирнов А. А., Воробьев В. Л., Анухин М. А. // Цветные металлы. 2004. № 12. С. 22-24. 3. Оптимизация конструктивных и технологических решений при подземной разработке медно-никелевых руд Ждановского месторождения / И. Н. Савич [и др.]// Горн. журн. 2011. № 11. С. 3335. 4. Martin C. D., Maybe W. G. Strength hard-rock pillars // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2000. Vol. 37. P. 1239-1246. 5. Методические указания по установлению размеров камер и целиков при камерных системах разработки руд цветных металлов. Л.: ВНИМИ, 1972. 6. Curis L., ¿euparek R. Numerical analysis of the stability of lignite pillars // Procedia Engineering. 2017. Vol. 191. P. 310-316. 7. Sharma K. G. Numerical analysis of underground structures // Indian Geotechnical J. 2009. Vol. 39 (1). P. 1-63. 8. Numerical analysis of underground space and pillar design in metalliferous mine / T. Malli [et al.] // J. African Earth Sciences. 2017. October. Vol. 134. P. 365-372.

Сведения об авторе

Кулькова Мария Сергеевна — аспирант, младший научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: maria.vasilevskaya89@yandex.ru

Author Affiliation

Maria S. Kulkova — PhD Student, Junior Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: maria.vasilevskaya89@yandex.ru

Библиографическое описание статьи

Кулькова, М. С. Применение аналитического и численного методов исследования для определения оптимальных параметров камер и целиков при отработке Ждановского месторождения / М. С. Кулькова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 1 (11). — С. 42-49.

Reference

Kulkova Maria S. The Analytical and Numerical Research Methods for Determining the Optimal Parameters of Stopes and Pillars during the Zhdanovskoe Deposit Mining. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2019, vol. 1. (11), pp. 42-49. (In Russ.).