CC BY
54
------------------------------------------- © В.А. Еременко, А.А. Еременко,
Е.В. Потапов, Д.А. Павлов,
В.В. Атанов, С.В. Временков,
2010
УДК 622.2; 622.235
В.А. Еременко, А.А. Еременко, Е.В. Потапов,
Д.А. Павлов, В.В. Атанов, С.В. Временков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ЖДАНОВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ
Проведены измерения методом электромагнитного излучения (ЭМИ) в подземных выработках на Западном участке для исследования геомеханического состояния массива горных пород.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, массив горных пород, щелевая разгрузка.
Неделя горняка
~П удные тела Ждановского место-ЛГ рождения приурочены к лежачему боку Главного массива, расположенного в центральной части северозападной синклинальной складки. В лежачем боку залегают богатые руды, которые в направлении висячего бока становятся рядовыми, а далее — безруд-ными породами (рис. 1). По геологическому положению руды: руды в ультра-основных породах; в тектонических зонах и во вмещающих осадочных породах.
Западное рудное тело (ЗРТ) и ЮгоЗападное рудное тело (ЮЗРТ) расположены на западном фланге Центрального рудного тела (ЦРТ). Западное рудное тело имеет сложную морфологию с сильно развитой тектоникой. ЮЗРТ также имеет сложную морфологию с развитой тектоникой. Рудные тела Ждановского месторождения не оконтурены на глубину. Площади рудных тел колеблются от 60,9 до 401, 7 тыс. м2.
Для исследования геомеханичес-кого состояния массива горных пород проведены измерения методом элек-
тромагнитного излучения (ЭМИ) в подземных выработках на Западном участке
— ЗРТ и ЮЗРТ, т.к. подготовительные, нарезные и очистные работы в этот период на других участках месторождения не проводились. Измерения осуществлялись индикатором электромагнитного излучения РЭМИ-1*) на ЮЗРТ и ЗРТ на гор. -50 м (рис. 2), гор. -80 м (рис. 3) и на гор. -140 м (заезд на юго-западный полевой штрек) (рис. 4).
На вертикальном разрезе места проведения ЭМИ на ЮЗРТ представлены на рис. 5, на ЗРТ — на рис. 6.
Измерения в каждом отдельном месте проводились 6 дней с серией 3-4 раза (данные по дням и сериям отличаются незначительно — на 5-10 Гц). ЭМИ осуществлялись при проведении щелевой разгрузки по определению напряжений в массиве горных пород в зоне и вне зоны очистных работ и геологических нарушений до и после образования разгрузочной щели.
*) РЭМИ-1 разработан в ИГД СО РАН.
Рис. 1. Ждановское месторождение. План размещения рудных тел: 1 — оруденелая тектоническая брекчия — брекчиевидные и сплошные сульфидные руды; 2 — вкрапленные руды в серпентинитах; 3 — серпентиниты; 4 — габбро; 5 — габбро-диабазы; 6 — эффузивные диабазы; 7 — ту-фогенно-осадочные породы продуктивной толщи; 8 — тектонические нарушения
Средний показатель по гор. - 50 м ЮЗРТ составил 72, по гор. -80 м ЮЗРТ
— 96; по гор. - 140 м ЗРТ и ЮЗРТ — 66. Скачок показателей ЭМИ вызван увеличением глубины ведения горных работ. На гор. - 140 м снижение ЭМИ объясняется отсутствием очистных работ. Экспериментальные исследования показали, что происходило увеличение ЭМИ в направлении от восточного к западному флангу ЮЗРТ и ЗРТ по всем горизонтам.
Проведена серия измерений ЭМИ на участке Северный на гор. -560 м р. 101 и гор. -620 м р. 103 (место обрушения горных пород, глубина -700 м) (табл. 2). Результаты измерений приведены в табл. 1.
Выявлено, что средний показатель ЭМИ на гор. -560 м составил 90, а на гор. -620 м — 95 (повторные измерения
позволят установить состояние горных пород).
Проведены экспериментальные исследования по установлению напряжений в массиве горных пород на месторождении методом щелевой разгрузки по методике ИГД УрО РАН. Определение напряжений осуществлялось в следующей последовательности: в горной выработке выбирался достаточно ровный участок массива с минимальной трещиноватостью и на нем намечалось расположение будущей щели.
Буровой кареткой «БУМЕР» бурили шпур на глубину помещения измерительного репера и устанавливали цанговый репер. На расстоянии 20 см от первого репера располагали
Рис. 2. Проведение измерений ЭМИ (гор, -50 м в орте 15, между ортами 16-17, около ходка к вентиляционному восстающему, в орте 22), 10-24 — линии разрезов; • - место проведения измерений
Рис. 4. Проведение измерений ЭМИ (гор. - 140 м, заезд на юго-западный полевой штрек, проходка заезда)
второй измерительный репер. Цанговые репера закрепляли неподвижно в массиве и проводили серию отсчетов измерителем с индикатором часового типа. Между ними осуществляли исходный замер с точностью не ниже 0,01 мм. Затем бурили щель с радиусом 30 см и выполняли серию повторных замеров после образования щели.
Разница отчетов по индикатору до и после бурения щели давала величину деформации. Категории удароопасности определяли по соотношению предельного значения прочности пород при сжатии (асж) и величины действующих (измеренных) в массиве напряжений.
Категория ОПАСНО:
асж '°иш < 1,25 (уровень напряжений пород > 80 %). Категория НЕОПАСНО:
асж '°иш > 1,25 (уровень напряжений не превышает 80%).
Щелевую разгрузку осуществили на гор. - 140 м. По ЗРТ - ЗПШ напротив ходка к вентиляционному восстающему (горизонтальную) и через 15 м (вертикальную) щели (рис. 7).
По ЮЗРТ ходок на ЮЗПШ, на расстоянии 15 м от забоя, в левом борту выработки. Основные вмещающие породы на Ждановском месторождении представлены габбро ґ = 18 и филлитами ґ = 14-16. На ЮЗРТ щелевая разгрузка проведена в горной породе габбро, а на ЗРТ в филлитах.
Разгрузка проводилась в борту выработки на ЮЗРТ непосредственно у забоя. На ЮЗРТ вне зоны ведения очистных работ. На ЗРТ в зоне ведения очистных работ, так как на гор. - 140 м велись очистные работы.
Измерения по ЗРТ (вертикальная щель) показали (рис. 8):
иа - 3,40; 3,43; 3,44; 3,41 - первоначальный замер (до разгрузки), средний иа = 3,42; ив - 2,70; 2,72; 2,79; 2,82 -повторный замер (после разгрузки), средний ив = 2,75; иав - деформация участка АВ после образования щели, см; иав = иа - ив = 3,42 - 2,75 = 0,67 мм = 0,067 см.
По ЗРТ (горизонтальная щель) (рис.
Рис. 6. Места проведения измерений ЭМИ на ЗРТ
п/п Горизонт, выработка Краткое описание состояния выработки Отчеты по прибору ИЭМИ - 1
1 ЮЗРТ, гор. -50 м, орт 15, около ЮЗПШ Массив состоит из структурных блоков различных размеров от метра и более, большая нарушенность. Отслаивание пород в кровле и бортах. ф 77,78,73,72 - средний 75, О 65,69, 62, 59 - средний 64 й 61,60,58,63 - средний 60
2 ЮЗРТ, гор. -50 м, ЮЗПШ, между ортами 16 и 17 ф 76,72,70,69 - средний 72, О 72,76,69 - средний 72, й 65,62,60 - средний 62
3 ЮЗРТ, гор. -50 м, ходок к вент. восстающему, р. 20 ф 83,84,78,77,76-средний 80, О 79,75,76,77 - средний 77, й 72,70,71,74 - средний 72
4 ЮЗРТ, гор. -50 м, орт 22, в районе очистной камеры ф 85,87,88 - средний 87, О 76,75,73,74 - средний 75, й 71,73,70,69 - средний 70
5 ЮЗРТ, гор. -80 м, ЮЗПШ, в районе орта 21 ф 99,101,96,107,106 - средний 101, О 95,103,99,106,107 - средний 102, й 99,104,95 - средний 99
6 ЮЗРТ, гор. -80 м, орт 21 ф 108,106,101 - средний 105, О 100,96,95,104 - средний 99, й 99,100,105,91,93 - средний 98
7 ЮЗРТ, гор. -80 м, ЮЗПШ, между ортами 20 и 21 ф 97,94,93 - средний 93, О 95,98,92,89 - средний 94, й 92,89,94,88,93 - средний 91
8 ЮЗРТ, гор. -80 м, ЮЗПШ, в районе орта 10 ф 96,103,98 - средний 99, О 92,91,90,95 - средний 92, й 91,95,92,90 - средний 92
9 ЮЗРТ, гор. -80 м, орт 10 ф 96,100,93,94 - средний 96, О 94,93,92,95 - средний 93, й 89,91,94,93 - средний 92
10 ЮЗРТ, гор. -140 м, заезд на ЮЗПШ, проходка заезда непосредственно у забоя ф 62,66,59,64 - средний 64, О 71,76,70,75 - средний 73, й 61,62,59 - средний 61
11
ЗРТ,
гор. -140 м, ЗПШ (Западный полевой штрек), напротив ходка к вентиляционному восстающему р. 9+10
ф 81,76,78,72 - средний 77, О 73,71,70,69 - средний 71, й 76,70,68 - средний 71
12
ЗРТ, гор. -140 м, ходок к вентиляционному восстающему р. 9+10
ф 63,64,62 - средний 63,
О 76,71,65,70 - средний 71, й 61,62,56 - средний 60
13
ЗРТ, гор. -140 м, орт 7
ф 62,61,59 - средний 61,
О 76,71,65,70 - средний 71, й 53,52,50 - средний 52
Условные обозначения:
ф - расположение прибора вдоль выработки; - расположение прибора поперек выработки; й - расположение прибора вертикально.
Рис. 7. Место проведения щелевой разгрузки на ЗРТ, гор. - 140 м, ЗПШ напротив ходка к вентиляционному восстающему
иа - 3,32; 3,34; 3,31; 3,35 - первоначальный замер (до разгрузки), средний иа = 3,33; ив - 2,84; 2,80; 2,84; 2,82 -повторный замер (после разгрузки), средний ив = 2,825; иав - деформация участка АВ после образования щели, см; иав = иа - ив = 3,33 - 2,825 = 0,505 мм = 0,0505 см.По ЮЗРТ, вертикальная щель: иа - 3,10; 3,12; 3,17; 3,17 - первона-
Таблица 2
Рис. 8. Вертикальная разгрузочная щель
чальный замер (до разгрузки), средний иа = 3,14; ив - 2,82; 2,80; 2,85; 2,82 - повторный замер (после разгрузки), средний ив = 2,822; иав -деформация участка АВ после образования щели, см; иав = иа - ив = 3,14
- 2,822 = 0,318 мм = 0,0318 см.
По ЮЗРТ (горизонтальная щель): иа - 4,48; 4,50; 4,48; 4,46 - первоначальный замер (до разгрузки), средний иа = 4,48; ив - 3,80; 3,81; 3,85; 3,80 - повторный замер (после разгрузки), средний ив = 3,815; иав -деформация участка АВ после образования щели, см; иав = иа - ив = 4,48
- 3,815 = 0,665 мм = 0,0665 см. Напряжения по ЗРТ (вертикальная
щель) составили:
иавЕл
а Г =-----------------------------------ав-=
Г 8R-^(1 - Кперп.+цКПараПП )
=__________0,067 • 6,64• 104 • 3,14_______=
= 8 • 30 - 3,14 • 20 • (1 - Ке„ + 0,3 • К ) =
* V перп. * паралл./
= 80,2 МПа,
где Е = 6,64-104 МПа - модуль деформации филлитов; иав = 0,067см - деформация участка после образования щели; R = 30 см - радиус щели; L = 20 см - расстояние между реперами; ц = 0,3
Горизонт, выработка Краткое описание состояния выработки Отчеты по прибору РЭМИ-1
гор. -560 м, р. 101 Массив состоит из структурных блоков различных размеров от метра и более, большая нарушенность. Отслаивание пород в кровле и бортах. ф 106,108,99,101,98 - средний 102, О 89,91,85,83,78 - средний 85, й 90,82,79,83 - средний 84
гор. -620 м, р. 103 ф 107,96 - средний 102, О 97,93,96,99 - средний 96, й 87,89,85 - средний 87
- коэффициент Пуассона для
филлитов; К„аралл- ко-
эффициенты концентрации вблизи щели, перпендикулярно и параллельно ее контуру, принимались Кперп = - 0,11,
Кпаралл, = - 0,24, и зависели от
размеров разгрузочной щели, длины L и радиуса R (рис. 10).
Для всех щелей L = 20 см -длина щели и R=30 см - диаметр щели, соответственно L/4R= 0,16. По графику определяем коэффициенты Кперп =
- 0,11 и К параш = - 0,24
^ - лЦ1 - Кперп. +ИКпаралл.) =
= 8 • 30 - 3,14 • 20 X
х((1 - (-0,11) + 0,3 (-0,24)) =
= 174,186 «174
при коэффициенте Пуассона для филлитов ^=0,3.
а сж = 111 МПа - предел прочности на сжатие для филлитов.
111МПа
Рис. 9. Горизонтальная разгрузочная щель
щели; R = 30 см - радиус щели; L = 20 см - расстояние между реперами; ц = 0,3
- коэффициент Пуассона для филлитов;
Кперп, Кпаралл.- кОэффИцИеНтЫ кОНцеНтрации вблизи щели, перпендикулярно и параллельно ее контуру, принимались
Кперп= - 0,11, Кпараш = - 0,24 (рис. 10);
асж = 111 МПа - предел прочности на сжатие для филлитов.
111МПа
= 1,38 > 1,25
= 1,83 > 1,25
80,2МПа
(уровень напряжений не превышает 80%) - категория НЕОПАСНО.
Определение напряжений по ЗРТ (горизонтальная щель):
8 • R - п- L(1 -К +и- К )
V перп. г* параллУ
=___________0,0505 - 6,64 -104 - 3,14________________=
8 - 30 - 3,14 - 20 - (1 - К + 0,3 - К )
^ ^ ^ ^ паралл./
60,5 МПа,
где Е = 6,64 104 МПа - модуль деформации филлитов; иав = 0,0505см - деформация участка после образования
60,5МПа
(уровень напряжений не превышает 80%) - категория НЕОПАСНО.
Из расчетов видно, что горизонтальное напряжение а Г = 80,2 МПа, полученное при образовании вертикальной щели, больше, чем вертикальное напряжение а В = 60,5 МПа, определенное при образовании горизонтальной щели, (напряжения получены в зоне ведения очистных работ). Глубина от отметки дна карьера (+2 м) до места проведения щелевой разгрузки на гор. - 140 м равна 142 м.
Определение напряжений по ЮЗРТ (вертикальная щель):
аГ =
и -Е-п
8 • Я - п - L(1 -Кперп+М - Кпараш)
паралл. -
0,0318 - 8,68-104-3,14
8-30 - 3,14 - 20-(1 - К + 0,26-К )
? V перп. ? паралл. '
=49,81МПа,
где Е = 8,68^ 104 МПа - модуль деформации габбро; иав = 0,0318см - деформация участка АВ после образования щели; Я = 30 см - радиус щели; Ь = 20 см - расстояние между реперами; ц = 0,26 - коэффициент Пуассона для габб-
р°; Кперn., К паралл. - кОэффициента К°н-
центрации вблизи щели, перпендикулярно и параллельно ее контуру, принимались Кперп= - 0,11, К паралл. = - 0,24
(рис. 10);
8R - лЦ1 - К перп. + ЦК паралл.) =
= 8-30 - 3,14-20 х х((1 - (-0,11) + 0,26(-0,24)) = = 174,210 «174
при коэффициенте Пуассона для габбро М =0,26.
а ж = 164 МПа - предел прочности на сжатие для габбро.
164МПо
= 3,29 > 1,25
а /а =
сж иэм 49,8 !МПо
(уровень напряжений не превышает 80%) - категория НЕОПАСНО.
Определение напряжений по ЮЗРТ (горизонтальная щель):
аГ =
иав'Е-п =
8 - Я - п - Д1 -Кперп+М - Кпаралл. )
0,0665-8,68-104 -3,14 8-30 - 3,14-20(1 - Кперп. + 0,26КпараПП.) =104,16 МПа,
где Е = 8,68-104 МПа - модуль деформации габбро; иав = 0,0665 м-
деформация участка после образования щели; Я = 30 см - радиус щели; Ь = 20 см - расстояние между реперами; ц = 0,26 - коэффициент Пуассона для габб-
р°; Кnерn., К паралл. - кОэффициент^1 кОнцентрации вблизи щели, перпендикулярно и параллельно ее контуру, принимались Кперп.= - 0,11, К паралл. = - 0,24
(рис. 10); аж = 164 МПа - предел прочности на сжатие для габбро.
. 164МПо
а /а =------------------= 1,57>1,25
сж изм 104,1 6МПо
(уровень напряжений не превышает 80 %) - категория НЕОПАСНО.
Из расчетов данных измерений по ЮЗРТ видно, что горизонтальное напряжение аГ = 49,81 МПа, полученное при образовании вертикальной щели, меньше, чем вертикальное напряжение аВ = 104,6 МПа, определенное при образовании горизонтальной щели. Напряжения получены вне зоны ведения очистных работ. Вертикальные напряжения в два раза выше, чем горизонтальные. Глубина от дневной поверхности до места проведения щелевой разгрузки на гор. - 140 м более 300 м.
В связи с эти получены следующие выводы:
1. Измерения ЭМИ в каждом отдельно месте, что по дням и по сериям значения отличаются незначительно на 510 Гц. При проведении щелевой разгрузки для определения напряжений в массиве горных пород проведены замеры ЭМИ до и после образования разгрузочной щели. Разность также составила 5-10 ГЦ.
Средний показатель ЭМИ по гор. -50 м ЮЗРТ - 72.
Средний показатель ЭМИ по гор. -80 м ЮЗРТ - 96.
Средний показатель ЭМИ по гор. -140 м ЮЗРТ - 66.
Средний показатель ЭМИ по гор. -140 м ЗРТ - 66.
По гор. - 50 м на ЮЗРТ средний показатель ЭМИ равен 72, а по гор. -80 м — 96. Скачек показателей отчетов вызван увеличением глубины ведения очистных работ, которые проводились на гор. - 20, - 50 и - 80 м. Снижение ЭМИ на гор. - 140 м до 66 объясняется отсутствием очистных работ и наличием только подготовительных горных работ. Средний показатель ЭМИ по гор. - 140 м на ЮЗРТ и на ЗРТ получился равный 66.
Выявлено увеличение ЭМИ в направлении от Восточного к Западному флангу ЮЗРТ и ЗРТ по всем горизонтам. Это вызвано влиянием ведения очистных работ.
Полученные средние значения ЭМИ по горизонтам достигают безопасного уровня фонового значения ЭМИ горных пород Ждановского месторождения. Повышение данного уровня вызвано увеличением напряжения в массиве горных пород из-за ведения очистных работ.
2. Проведена серия измерений ЭМИ для сравнения на участке Северный, на
гор. - 560 р. 101 и гор. - 620 м р. 103. (Гор. - 620 м р. 103 место обрушения горных пород. Глубина — более 700 м.)
Средний показатель гор. - 560 м р. 101 составил - 90.
Средний показатель гор. - 620 м, р. 103 - место обрушения горных пород -95.
3. Установлено, что горизонтальное напряжение О Г по ЗРТ (вертикальная щель) составило 80,2 МПа, при этом уровень напряжений не превышает 80%, что соответствовало категории НЕОПАСНО.
Вертикальное напряжение ОВ по ЗРТ (горизонтальная щель) равно 60,5 МПа, уровень напряжений также не превышает 80% - категория НЕОПАСНО.
По ЗРТ в зоне ведения очистных работ выявлено, что горизонтальное напряжение ОГ = 80,2 МПа, полученное при образовании вертикальной щели, больше, чем вертикальное напряжение ОВ = 60,5 МПа, зарегистрированное при образовании горизонтальной щели.
Горизонтальное напряжение ОГ по ЮЗРТ (вертикальная щель) составило 49,81 МПа, что также соответствовало категории НЕОПАСНО.
Вертикальное напряжение ОВ по ЮЗРТ (горизонтальная щель) равно 104,16 МПа - категория НЕОПАСНО.
По ЮЗРТ в зоне ведения очистных работ установлено,
Рис. 10. Определение коэффициентов концентрации вблизи щели
что горизонтальное напряжение аГ = 49,81 МПа, полученное при образовании вертикальной щели, меньше, чем вертикальное напряжение аВ = 104,6 МПа, полученное при образовании горизонтальной щели.
4. По ЮЗРТ и ЗРТ на гор. -50, -80 и -140 м наблюдается проявление горного давления в динамической форме в виде заколообразования. Увеличение глубины разработки на ЮЗРТ и ЗРТ, в дальнейшем на ЦРТ может также привести к интенсивному заколообразованию.
Следует отметить, что высокая на-рушенность массива горных пород не позволяет накапливать энергию упругих деформаций до критических величин из-
за подвижек по контактам геологических нарушений и значительной пластичности горных пород.
5. При увеличении глубины разработки следует продолжить наблюдения за горным давлением с использованием различных методов. Например, на стадии геологоразведочных работ на основе кернового бурения по интенсивности дискования керна, визуальных наблюдений в выработках, микросейсмиче-ским методом, щелевой разгрузки, электрометрии, наблюдений за развитием деформационных процессов в целиках методом глубинных или контурных реперов и др. ПГСга
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Еременко В.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории ИГД СО РАН;
Еременко А.А. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИГД СО РАН;
Потапов Е.В. - генеральный директор ОАО «Кольская ГМК»;
Павлов Д.А. - начальник горно-геологического управления ОАО «Кольская ГМК»;
Атанов В.В. — начальник маркшейдерского отдела горно-геологического управления ОАО «Кольская ГМК»;
Временков С.В. - маркшейдер по горным работам р. Северный, «Комбинат Печенегани-кель».
А
