Создание численной геомеханической модели месторождения «Антей» как основы прогноза напряженнодеформированного состояния массива

© A.A. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян, 2014

УДК 622.831

А.А. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян

СОЗДАНИЕ ЧИСЛЕННОЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «АНТЕЙ» КАК ОСНОВЫ ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

Представлены результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния в окрестности уранового месторождения «Антей». Определены граничные условия, наиболее адекватно отражающие исходное напряженно-деформированное состояние месторождения «Антей».

Ключевые слова: геомеханика, напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование, подземная разработка месторождений полезных ископаемых.

В настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция к увеличению глубины горных работ, вследствие чего происходит постоянное ухудшение горногеологических и геомеханических условий при отработке месторождений полезных ископаемых. В связи с этим перед горнодобывающими предприятиями с каждым годом все острее встает проблема прогноза и предотвращения динамических проявлений горного давления, в особенности, наиболее опасных из них - горных и горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.

Одним из месторождений, отнесенных к опасным по горным ударам, является урановое месторождение «Антей», расположенное в Юго-Восточном Забайкалье, отработку которого ведет ОАО «ПППХО». В отдельные годы последнего десятилетия на глубоких горизонтах месторождения «Антей» было зарегистрировано более 100 случаев динамических проявлений в форме стреляний пород, заколообразования, разрушения искусственной кровли очистных захо-док, толчков внутри массива. В 2005 и 2011 гг. на месторождении были зафиксированы горные удары, сопро-

вождавшиеся значительными объемами разрушения выработок [1].

В сложившихся условиях у ОАО «ПППХО» возникла потребность в более углубленных комплексных геодинамических исследованиях, включающих: оценку геодинамической и сейсмической обстановки, напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород как в пределах Забайкальского блока Амурской плиты, так и в районе месторождения; изучение закономерностей геодинамических полей и процессов в области техногенного влияния горных работ с целью получения принципиально новой информации об НДС геологической среды и выделения региональных предвестников динамических явлений разного энергетического уровня в горных массивах.

Решение поставленных задач предполагает создание горно-технологической модели исследуемого района с объединением в рамках этой модели всей значимой геологической, геомеханической и горно-технологической информации. Одной из частей этой модели является численная геомеханическая модель месторождения «Антей», разработанная в Порном институте КНЦ РАН, которая учитывает

основные горно-геологические и горнотехнические факторы, влияющие на НДС массива пород в окрестности данного месторождения.

Анализ геологической информации о месторождении показал, что оно расположено вблизи сочленения двух крупных поясов планетарного масштаба, обусловливающих высокую тектоническую активность региона Восточного Забайкалья со сложным сочетанием цикличности и направленности напряжений. Характерной особенностью района месторождения является

Рис. 1. Геологический разрез месторождения «Антей»: 1 - фельзиты; 2 - трахидаци-ты; 3 - туфы (а) и туфолавы (б) трахидацитов; 4 - базальты; 5 - конгломераты (а) и структурный элювий гранитов (б); 6 - гранитоиды; 7 - крутопадающие разломы (а) и пологие срывы (б); 8 - рудные тела

блоковое строение горного массива и его местоположение в пределах крупной кальдеры, представляющей собой многоярусное геологическое образование. В его верхнем этаже залегает толща сложнодислоцированных пород чехла (липариты, туфы, андези-то-базальты, алевролиты), в нижнем -средне- и крупнозернистые варисские гранитоиды, относящиеся к гранитному фундаменту (рис. 1) [2, 3].

Оруденение локализуется в фундаменте, главным образом, вблизи ру-доконтролирующих крутопадающих разломов субмеридионального простирания, и месторождение «Антей» локализовано исключительно в нарушениях №№ 13 и 160. Глубина зоны орудене-ния не менее 1500 м при мощности от нескольких метров до первых десятков метров. При этом размеры рудных тел по простиранию около 700 м.

Изучение действующих на месторождении напряжений показало, что главенствующее действие оказывают силы тектонической природы. На месторождении «Антей» повсеместно преобладает субгоризонтальная компонента главных напряжений, в 2,5 раза превышающая вес налегающей толщи. Ориентировка наибольших главных субгоризонтальных напряжений изменяется с глубиной и колеблется в интервале 40-100°. Наклон наибольших главных напряжений ориентирован на север и составляет 10-45° с горизонтом [4].

Для получения достоверных результатов расчетного поля напряжений применялась методика последовательных приближений, в основу которой положено трехмерное численное моделирование поля напряжений на нескольких масштабных уровнях. Расчеты выполнялись методом конечных элементов в объемной постановке с использованием программного комплекса 51дшаСТ, разработанного в Горном институте КНЦ РАН.

При разработке мелкомасштабной модели I этапа исходили из необходимости учета основных факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние месторождения «Антей». Наиболее значимыми для исходного НДС месторождения являются геологические факторы, а именно параметры разломных структур, рудных тел, особенности рельефа дневной поверхности.

Модель ориентирована по рудничной сетке месторождения «Антей». Первоначально был создан совмещенный план всех горизонтов месторождения с вынесением на него разломов и рудных тел. Далее были выделены разломные структуры, которые необходимо было промоделировать на I этапе. Это разломы 13 и 160, сопровождающие зону рудообразования, а также разломы 1 и 255, ориентированные под углом к рудной зоне. Данный совмещенный план был основой для разработки типового горизонтального сечения, зоны сгущения и перегибов конечно-элементной сетки приурочены к учтенным структурам, а также непосредственно к области ведения горных работ (рис. 2).

Объемная модель была сбита из типовых горизонтальных сечений. Местоположение горизонтальных сечений в зоне ведения горных работ

определялось высотными отметками горизонтов, каждый горизонт представлен тремя 20-ти метровыми слоями элементов. Данное уплотнение сетки в вертикальной плоскости присутствует в отметках -240 м + +302 м. Приповерхностная область разбита 40-метровыми слоями элементов, что позволит учесть в дальнейшем вул-каногенно-осадочные образования. В силу незначительных колебаний высотных отметок в пределах области моделирования (не более 7% от глубины ведения горных работ) дневную поверхность полагали горизонтальной с усредненным уровнем +750 м. С минимальным шагом разбита зона ведения горных работ, где размер элемента составляет 5x10x20 м3.

Итоговые размеры модели: по простиранию рудной залежи 3000 м, вкрест простирания 1000 м, высота 1750 м. В соответствующих направлениях модель имеет 101, 53 и 51 сечение. Общее количество узлов модели 286 416, количество элементов 273 003. Объемный вид модели представлены на рис. 3.

На данный момент в модели задано до пяти типов пород. Первому типу соответствуют граниты, второму - урановые руды, третьему - гидрослюде-зиты разломной зоны, четвертому -характеристики оперяющих разло-

Рис. 3. Общий вид трехмерной конечно-элементной модели

мов, пятый тип с нулевыми характеристиками введен для моделирования очистной выемки. Задаваемые прочностные и упругие характеристики приведены в таблице.

В дальнейшем в модель будут введены дополнительные типы пород для имитации приповерхностной слоистости и закладки очистной выемки.

Напряженно-деформированное состояние для разработанной модели рассчитывалось с тремя видами граничных условий:

• гравитационный тип нагруже-ния (рис. 4, а).

• гравитационно-тектонический тип нагружения при действии максимальных тектонических сил вкрест простирания рудного тела (рис. 4, б).

• гравитационно-тектонический тип нагружения при действии максимальных тектонических сил по простиранию рудного тела (рис. 4, в).

Для проектов с учетом действия тектонических сил горизонтальную пригрузку задавали в двух вариантах, изменение значений заданных узловых сил Рт с глубиной показано на рис. 5. Пригрузка задана по нелинейному закону, рост Р с глубиной затухает. При этом учитывались общие закономерности распределения тектонических напряжений с глубиной [5, 6, 7]. На уровне дневной поверхности (абсолютная высотная отметка +750 м) Рт составляют 1 МПа, а на уровне дна модели (абсолютная высотная отметка -1000 м) - до 55 МПа. Коэффициент бокового отпора с учетом действия тектонической нагрузки ^=0,5.

В условиях действия только собственного веса пород рассматривался однородный массив со свойствами вмещающих гранитов, данный вариант рассчитывался в качестве тестового. Параметры напряженного состояния массива, исходя только из собственного веса вышележащих пород, можно найти из известных зависимостей: а ср = уИ и а ср = ^уИ. То есть в

верт ' гор '

нашем случае на горизонте 0 м (750 м от дневной поверхности) вертикальные напряжения должны составлять а ср - 18,82 МПа, а ср - 5,62 МПа.

верт гор

Полученные для модели напряжения

Физико-механические свойства типов пород, учтенных при моделировании

Тип поролы Молуль упругости Е, МПа Коэффициент поперечных лефор-мацийV Объемный вес у, г/см3 Прелел прочности порол на олноос-ное сжатие, МПа

Граниты 0,64105 0,23 2,51 210

Урановые руды 0,3105 0,22 2,51 100

Гидрослюдезиты 0,6104 0,25 2,46 185

Оперяющие разломы 0,6104 0,25 2,46 185

Рис. 4. Схемы задания граничных условий для расчетных вариантов: а) гравитационная постановка; б) при действии максимальных тектонических сил Т по простиранию рудной залежи; в) при действии максимальных тектонических сил Т вкрест простирания рудной залежи

а 50

Н.м

б 60

Н.м

Рис. 5. График изменения тектонических сил с глубиной для граничных условий двух вариантов нагружения модели по гравитационно-тектоническому типу

соответствуют теоретическим значениям. Это подтвердило, во-первых, правильное формирование конечно-элементной модели, а во-вторых, гипотезу о том, что массив пород месторождения «Антей» находится в гравитационно-тектоническом поле напряжений. В противном случае в крепких скальных породах не имели бы место проявления горного давления в динамической форме, особенно в кровле выработок.

Для всех других типов нагружения модели просчитывали варианты с последовательным включением учтенных в модели геологических факторов:

• однородная модель (вмещающие граниты);

• модель с зоной рудообразования в пределах разломов 13^160 (гидрослюде-зиты), зона задавалась до отметки -300 м;

• модель с зоной рудообразова-ния и оперяющими разломами;

• модель с зоной рудообразования и рудным телом в ней, а также оперяющие разломы.

Горизонтальная пригрузка с величинами, изменение которых с глубиной показано на рис. 5, а, оказалась мала для формирования в окрестности рудного тела концентраций напряжений, достаточных для выраженных

проявлении горного давления. Как известно, проявления горного давления в динамической форме, имеют место в выработках, где уровень напряжении на контуре более 0,5асж, где асж - предел прочности пород на одноосное сжатие. Для гранитов месторождения «АнтеИ» эта величина находится в пределах 141^194 МПа, то есть разрушения выработок в динамическои форме могут происходить при деиствии напряжении с величинами более 70 МПа. Коэффициент концентрации напряжении на контуре одиночнои выработки составляет 2,5^3, то есть в нетронутом массиве сжимающие напряжения должны быть 30 МПа и более.

При задании увеличенных тектонических сил II типа на-гружения в соответствии с графиком рис. 5, б такоИ уровень напряжении для одно-роднои задачи фиксируется от 10-го горизонта и ниже

max х '

находятся у рудноИ зоны в пределах разрезов 630^632 и 624^625. На отдельных участках а >50 МПа. На-

max

блюдается также небольшая переориентировка векторов напряжениИ в зонах концентрации а .

1 J

МПа *

Рис. 6. Распределение атах на горизонте 0 м при нагружении II типа: а - для однородного массива; б - для варианта с учетом зоны рудообразования; в - для варианта с учетом зоны рудообразования и оперяющих разломов; г - для варианта с учетом зоны рудообразования, рудным телом в ней и оперяющих разломов

Дополнительное введение оперяющих разломов 1 и 255 незначительно меняет геомеханическую ситуацию в зоне ведения горных работ (рис. 6, в). В самих разломных зонах значения напряжений в 1,5-2,0 раза ниже, чем во вмещающих гранитах.

Дополнительный учет жильных рудных тел в рудосодержащей зоне увеличивает площадь зоны концентрации максимальных сжимающих напряжений более чем в два раза, также более значимой становится переориентировка векторов сттах на отдельных участках вблизи рудного тела (рис. 6, г).

Таким образом, по результатам мелкомасштабного моделирования

можно сделать вывод о том, что вариант со II типом нагружения и учетом основных геологических факторов достаточно адекватно отражает исходное напряженное состояние месторождения «Антей». Перемещения, полученные для данного варианта можно использовать на следующем этапе моделирования НДС в качестве граничных условий.

Модель второго этапа будет разрабатываться для имитации последовательной выемки запасов месторождения. На данном этапе появится возможность сопоставления фактических и расчетных категорий выработок, оценка областей возможных разрушений на их контуре.

1. Рассказов И.Ю., Гладырь A.B., Аникин П.А., Святенкий B.C., Просекин Б.А. Развитие и модернизация системы контроля динамических проявлений горного давления на рудниках ОАО «ППГХ0» // Горный журнал. - 2013. - № 8(2). - С. 9-14.

2. Шабаров А.Н., Филинков A.A., Рассказов И.Ю. и др. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождении «Антей», опасном по горным ударам. - СПб.: Изд. СПбГГИ, 2008. - 71 с.

3. Лаверов Н.П., Петров B.A., Полу-эктов B.B., Насимов P.M., Хаммер И., Бурмистров A.A., Щукин С.И. Урановое месторождение «Антей» - природный аналог хранилища ОЯТ и подземная геодинамическая лаборатория в гранитах // Геология рудных месторождений. Т. 50. -2008.- № 5.- С. 387-413.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Разработка трехмерной геологострук-турной модели месторождения «Антей» как основы геомеханической модели для прогноза проявления горных ударов // Отчет о НИР (окончательный по 2 этапу) по договору № 10-05/10270 от 17.02.2009 г. между ИГЕМ РАН и ОАО «ППГХО»; отв. исп. В.А. Петров. М., 2009.

5. Марков Г.А., Савченко С.И. Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа. - Л.: Наука, 1984.

6. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев А.А. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. - Л.: Наука, 1978. - 256 с.

7. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 335 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Козырев Анатолий Александрович - доктор технических наук, профессор, зам. директора Горного института КНЦ РАН, e-mail kozar@goi.kolasc.net.ru, Семенова Инна Эриковна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail innas@goi.kolasc.net.ru,

Аветисян Иван Михайлович - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail ivanavetisyan@yandex.ru,

Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра РАН.

UDC 622.831

DEVELOPMENT OF NUMERICAL GEOMECHANICAL MODEL OF ANTEY DEPOSIT AS A BASE OF ROCK MASS STRESS-STRAIN STATE FORECASTING

Kozyrev A.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director of the Mining Institute KSC RAS, e-mail kozar@goi.kolasc.net.ru,

Semenova I.E., Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, e-mail innas@goi.kolasc.net.ru, Avetisyan I.M., Candidate of Engineering Sciences, Researcher, e-mail ivanavetisyan@yandex.ru, Mining Institute, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences.

The results of rock mass stress-strain state numerical modeling in vicinity of Antey uranic deposit are presented. The tectonic stresses, which exceed the weight of overlying rocks at 2.5 times, act on the deposit.

The calculations are carried out by finite element method in three-dimensional statement using the SigmaGT software, which was developed in Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences. The serial approximations technique is applied to obtain reliable results of calculations. The technique is based on three-dimensional stress field numerical modeling on several scale levels.

The features of changing of stress-strain state in vicinity of the deposit by sequential inclusion of geological factors are discovered. The calculations are carried out for three types of model loading: gravity type, gravity-tectonic type when tectonic forces act across the strike of ore body and gravity-tectonic type when tectonic forces act along the strike of ore body.

The boundary conditions which most adequately correspond with initial stress-strain state of the deposit are defined. The obtained on current modeling stage nodal displacements can be used as boundary conditions for more accurate stress-strain state calculations in vicinity of actual and project mining and for increased risk of rock burst areas forecasting.

Key words: geomechanics, stress-strain state, mathematical modeling, underground mining.

REFERENCES

1. Rasskazov I.Ju., Gladyr' A.V., Anikin P.A., Svjateckij V.S., Prosekin B.A. Gornyj zhurnal. 2013, no 8(2), pp. 9-14.

2. Shabarov A.N., Filinkov A.A., Rasskazov I.Ju. Ukazanija po bezopasnomu vedeniju gornyh rabot na mestorozhdenii Antej, opasnom po gornym udaram (Guide on safe mining at rockburst-hazardous Antei deposit), Saint-Petersburg, Izd. SPbGGI, 2008, 71 p.

3. Laverov N.P., Petrov V.A., Polujektov V.V., Nasimov R.M., Hammer J., Burmistrov A.A., Shhukin S.I. Geologija rudnyh mestorozhdenij, vol. 50, 2008, no 5, pp. 387-413.

4. Razrabotka trehmernoj geologostrukturnoj modeli mestorozhdenija Antej kak osnovy geomehanich-eskoj modeli dlja prognoza projavlenija gornyh udarov. Otchet o NIR (okonchatel'nyj po 2 jetapu) po dogo-voru no 10-05/10270 ot 17.02.2009 g. mezhdu IGEM RAN i OAO «PPGHO», otv. isp. V.A. Petrov (Development of 3D geological-structural model of Antei deposit as the geomechanical framework of rockburst prediction. Research and Development Report (phase II final draft) under Contract № 10-05/10270 as of 17.02.2009 between the Institute of Ore Deposit Geology, Petrography, Mineralogy and Geochemistry, RAS, and PPGKhO JSC, V.A. Petrov (Executive)), Moscow, 2009.

5. Markov G.A., Savchenko S.N. Naprjazhennoe sostojanie porod i gornoe davlenie v strukturah goristo-go rel'efa (Stress state of rocks and ground pressure in mountain terrain structures), Leningrad, Nauka, 1984.

6. Turchaninov I.A., Markov G.A., Ivanov V.I., Kozyrev A.A. Tektonicheskie naprjazhenija v zemnoj kore i ustojchivost' gornyh vyrabotok (Tectonic stresses in the earth crust and stability of underground excavations), Leningrad, Nauka, 256 p.

7. Zubkov A.V. Geomehanika i geotehnologija (Geomechanics and geotechnology), Ekaterinburg, UrO RAN, 2001, 335 p.