CC BY
24
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.19-27 УДК 622.272.6/ 622.831
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ
С. В. Лукичев, И. Э. Семенова, А. В. Земцовский, Е. В. Громов
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН, Апатиты
Аннотация
На основе комплексных натурных определений параметров поля напряжений и компьютерного моделирования геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород при подземной отработке сближенных удароопасных месторождений Хибинского массива установлены особенности его деформирования, приводящие к повышению устойчивости подработанной толщи в условиях действия высоких сжимающих напряжений. С учетом данного фактора выполнено научное обоснование параметров безопасной отработки временно неактивных запасов месторождения Олений ручей.
Ключевые слова:
тектонические напряжения, подземный рудник, карьер, охранный целик, горный отвод, неактивные запасы, численное 3D-моделирование, напряженно-деформированное состояние.
THE DEFINITION OF THE PROTECTIVE PILLAR BOUNDARIES IN TECTONICALLY STRESSED ROCK MASSES
Sergey V. Lukichev, Inna E. Semenova, Alexander V. Zemtsovskii, Yevgeny V. Gromov
Mining Institute of KSC RAS, Apatity
Abstract
Based on complex field observation of the stress field parameters and computer modeling of geomechanical processes in the undermined rock mass during underground mining of the contiguous rockburst hazardous deposits of the Khibiny massif, the features of its deformation have been established, which lead to an increase in the stability of the undermined strata under the acting of high compressive stresses. Considering this factor, the scientific substantiation of the safe mining parameters of temporarily inactive reserves of the Oleniy Ruchey deposit, was performed.
Keywords:
tectonic stresses, underground mine, open pit, protecting pillar, patented claim, inactive reserves, numerical 3D modelling, stress-strain state.
Введение
Актуальной тенденцией освоения Хибинских апатит-нефелиновых месторождений является близость формируемых открытых и подземных очистных пространств, что обусловливает особенности геомеханических условий [1], влияющих на процессы деформирования подработанного массива, безопасность горных работ и производительность производственных процессов. Действие высоких исходных тектонических напряжений в Хибинском массиве и склонность пород к хрупкому разрушению предопределяют отнесение отрабатываемых месторождений к категории склонных и опасных по горным ударам, что требует дополнительных региональных и локальных мероприятий по разгрузке массива. В настоящее время существенный объем запасов сближенных месторождений находится во временных охранных целиках, отработка которых в ближайшие десятилетия маловероятна. Идея работы заключается в обосновании возможности пересмотра границ охранных целиков на основе комплексных исследований геомеханических и геотехнологических процессов в толще подработанного массива, учитывающих дополнительное горизонтальное сжатие пород. Исследования реализованы
с использованием современных средств компьютерного моделирования, разработанных в ГоИ КНЦ РАН, — горно-геологической информационной системы MINEFRAME и программного комплекса по оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) в объемной постановке Sigma GT.
Объект исследования
Объектом исследования является месторождение Олений ручей, расположенное в юго-восточной части Хибинского массива. Его запасы составляют 370 млн т. Рудные тела в пределах месторождения сконцентрированы в двух ярусах — верхнем мощностью 200 м и нижнем мощностью от 50 до 330 м, разделенных безрудной толщей мощностью 200-300 м. В настоящее время на северо-восточном фланге месторождения запасы верхнего яруса дорабатываются карьером, в нижнем ярусе осуществляется строительство капитальных горных выработок и начата отработка подземным способом. С юго-запада на расстоянии примерно 250 м находится Ньоркпахкский карьер, а также запасы участка Суолуайв, предполагаемого в будущем к отработке подземным способом (рис. 1). Вследствие близости Ньоркпахкского карьера и запасов участка Суолуайв значительная часть месторождения Олений ручей (65 % балансовых запасов до отм. -100 м) законсервирована в охранном целике. Границы целика определены проектной документацией в соответствии с «Инструкцией по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений» [2]. Угол сдвижения принят равным 70°.
Рис. 1. 3D-модели объектов комбинированной разработки в ГГИС MINEFRAME Fig. 1. 3D models of objects of combined mining in Mining GIS MINEFRAME
Основными геомеханическими факторами, оказывающими влияние на процессы обрушения подработанной толщи пород, являются тип напряженно-деформированного состояния и параметры поля напряжений массива горных пород. В действующих инструктивных документах [3, 4] используется упрощенный подход к определению параметров и построению охранных целиков, не учитывающий дополнительное горизонтальное сжатие, характерное для тектонически напряженных массивов. «Указания по управлению обрушением покрывающих пород...» [5] в части построения предохранительных целиков также опускают данный фактор. Отработка подземных запасов апатитовых месторождений Хибин с применением систем с обрушением руды и вмещающих пород показала, что добиться полного обрушения подработанной толщи в таких условиях достаточно сложно. Так, на месторождении Апатитовый цирк, где мощность рудного тела в несколько раз больше, а начальная глубина выемки запасов меньше на 100 и более метров, полное обрушение подработанных пород произошло при формировании очистной выемки протяженностью около 1 км.
Методы исследования
Для определения безопасных параметров подземных горных работ при корректировке границ охранного целика выполняли оценку напряженно-деформированного состояния массива горных пород для различных вариантов отработки. Расчеты проведены методом конечных элементов в объемной постановке, реализованной в программном комплексе Sigma GT [6]. Данное программное обеспечение разработано в Горном институте КНЦ РАН и успешно применяется на горнорудных предприятиях России [7].
Основой для задания граничных условий являлись натурные данные по измерению напряжений в выработках подземного рудника, а также ранее разработанная модель месторождений Олений ручей и Ньоркпахкское [8]. При создании модели учитывали сложный рельеф дневной поверхности, параметры рудных тел, свойства руд и вмещающих пород, отметки горизонтов и подэтажей подземного рудника (рис. 2).
Рис. 2. Трехмерная конечно-элементная модель месторождения Олений ручей Fig. 2. 3D finite elements model of the Oleniy Ruchey deposit
Наиболее детально модель разбита в области ведения горных работ, где размер каждого элемента составляет 10x10x5 м. Модель ориентирована в соответствии с рудничной координатной сеткой и содержит 1640 тыс. элементов, ее размеры в плане 2420x2050 м, дно на отм. -1000 м.
Анализ распределения максимальных напряжений Ог^ позволяет выделить наиболее удароопасные участки массива на разных этапах выемки подземных запасов. Данные о минимальных напряжениях Ошт являются определяющими при определении параметров обрушений подработанной толщи пород. Анализ их значений и распределение в подработанной толще пород дают возможность оценить влияние подземных горных работ на предохранительный целик Ньоркпахкского карьера.
Результаты численного моделирования НДС
Проведено многовариантное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород с уточнением параметров рудных тел и последовательным развитием очистной выемки до разреза 6+40 м. Также варьировались параметры опережений вышележащих горных работ к нижележащим в пределах защитных углов 45, 60 и 75°. Увеличение угла развивающегося фронта работ при этом давало возможность дополнительного приращения включаемых в отработку запасов. При построении границ очистной выемки учитывались действующие границы горного отвода Ньоркпахкского месторождения и уточненные параметры рудных тел месторождения Олений ручей.
Схема вариантов моделирования по развитию горных работ в сторону Ньоркпахкского карьера приведена на рис. 3.
+500
\С V i +400
\ +300
\ 1 +200
Горны! отвод I ьоркиах И tu \
1, и
ДО L >6*4< х \ у
X \ ««60 \ V J ^ 7 -¡00
р 6 Р 7 F 8 Р 9 Р 10 i •jll Р \ 12\ Р 13 Р 14 Р 15
Рис. 3. Схема моделирования вариантов развития горных работ Fig. 3. The scheme of modeling variants for mining development
Анализ прогнозного распределения Cmax при варьировании параметров опережений вышележащих подэтажей к нижележащим (с генеральными углами 45, 60 и 75°) показал, что с увеличением угла растет зона концентрации сжимающих напряжений Omax у верхней части фронта горных работ (рис. 3), развивающегося в сторону Ньоркпахкского карьера. Это может менять геодинамический режим участка вблизи горного отвода и в целом негативно сказываться на состоянии горных выработок вблизи фронта. На рис. 4 видно, что зоны максимальной концентрации напряжений также приурочены к дну создаваемого обнажения.
а б в
Рис. 4. Распределение максимальных напряжений при опережении горных работ с генеральными углами 45° (а), 60° (б) и 75°(в)
Fig. 4. Distribution of maximum stresses in advance of mining with the main angles: a — 45 °, б — 60 ° and в — 75 °
При анализе минимальных напряжений полагали, что в зонах действия растягивающих напряжений Omin (отрицательные расчетные величины) возможно развитие трещин отрыва. То есть по ним можно судить о параметрах нарушенных зон в подработанном массиве. На рис. 5 такие зоны показаны розовым цветом и ограничены жирной красной линией.
Анализ распределения напряжений в подработанных породах показал, что зоны растягивающих напряжений в кровле создаваемых обнажений развиваются достаточно медленно, что связано с общим высоким уровнем сжатия, обусловленным действием в массиве пород месторождения тектонических напряжений.
а б в
Рис. 5. Распределение минимальных напряжений при опережении горных работ
с генеральными углами 45° (а), 60° (б) и 75° (в) Fig. 5. Distribution of minimum stresses in advance of mining with the main angles: а — 45 б — 60 ° and в — 75 °
В начальный период ведения очистных работ в охранном целике зона растягивающих напряжений формируется по центру создаваемого обнажения, при дальнейшем развитии горных работ и достижении ими подкарьерного пространства максимум растяжений по-прежнему не захватывает горный отвод. У борта карьера изменений параметров НДС не наблюдается, зона растягивающих напряжений Omin сохраняется в приповерхностной части борта карьера, где действующие сжимающие напряжения минимальны.
Распределение Omin существенно меняется при различных параметрах опережений. Так, при увеличении угла с 45 до 60° происходит рост зоны растягивающих напряжений, в которой могут формироваться и развиваться трещины отрыва. Верхняя граница данной зоны уходит на 100 и более метров выше в подработанный массив и достигает высотной отметки примерно +250 м. При дальнейшем изменении угла опережений до 75° увеличиваются параметры зоны растяжений как в плане, так и по высотным отметкам — верхняя граница находится в районе отм. +300 м На поверхности также наблюдаются отдельные зоны растягивающих напряжений. Следует учитывать, что подработанный массив принимали однородным без нарушений, то есть при наличии естественных трещин, ориентированных в направлении действия Omax, возможно увеличение размера зоны потенциального обрушения и выход ее на дневную поверхность для углов опережений более 60°. Поэтому рекомендуется развитие горных работ с опережением вышешележащих подэтажей к нижележащим, которое приблизительно равно высоте подэтажа.
В то же время при предлагаемом угле опережений 45° создаются условия частичного обрушения пород висячего бока и заполнения очистного пространства в достаточном объеме для формирования породной подушки, что является необходимым условием для защиты рабочих зон подземного рудника от динамического воздействия обрушения горной массы.
После уточнения модели были рассмотрены также расчетные варианты с выбранным углом опережений 45° и последовательным развитием очистной выемки с шагом в 40 м для оценки возможности дополнительного приращения запасов. Рассмотрим вариант с продвижением горных работ до разреза 7 (рис. 6). Как видно, в этом случае напряженно-деформированное состояние подработанных пород меняется в значительной мере. В нижней части горного отвода Ньоркпахка в разрезах 7-9 увеличивается уровень сжимающих напряжений. При этом зона потенциальных разрушений в кровле создаваемого очистного пространства захватывает часть горного отвода в разрезах 10-11.
Продвижение горных работ в сторону Ньоркпахкского карьера возможно только в случае отсутствия нарушения пород в границах горного отвода. Поэтому границей продвижения очистной выемки следует принять разрез 8, так как при развитии очистной выемки до него существенных изменений напряженно-деформированного состояния пород в рамках горного отвода соседнего месторождения не происходит.
а б
Рис. 6. Распределение максимальных (а) и минимальных (б) напряжений по М + 400 м
при развитии горных работ до разреза 7 с углом опережений 45° Fig. 6. Distribution of maximum (a) and minimum (б) stresses along M + 400 m cross-section in the mining development to section 7 with the angle of 45 °
Обоснование параметров отработки запасов
при отсутствии самообрушения подработанной толщи
Чтобы обеспечить безопасное извлечение запасов без оставления целиков в период ведения горных работ без самообрушения подработанной толщи пород, предложен вариант системы подэтажного обрушения руды с частичным принудительным обрушением налегающих вмещающих пород скважинами с увеличенной ЛНС и выпуском руды через траншейное днище (рис. 7).
Рис. 7. Система подэтажного обрушения с частичным принудительным обрушением налегающих вмещающих пород и выпуском руды на траншейное днище
Fig. 7. System of sublevel caving with trench ore drawing
Обоснована минимально необходимая толщина предохранительной породной подушки (hn . п. min), обеспечивающей защиту горных выработок от воздушных ударов. Для отбиваемой секции усредненных размеров с площадью 40,8 м2 при сечении выработки 19,15 м2 и одном выпускном отверстии hn. п. min составит:
h = к ■H =—096--20 = 15,5,
П.П.ШШ 1 + о, 25K вп 1 + 0,25 ■ 0,96
где Нвп — высота подэтажа, м. K = Ki K2 ■ K3 ■ K4 ■ K5,
где Ki K2 K3 — коэффициенты, учитывающие аэродинамическое сопротивление породной подушки, обрушающихся пород и выпускных выработок;
K4 — коэффициент, учитывающий степень изолированности подземной пустоты; K5 — коэффициент, учитывающий прочие факторы (неравномерность толщины подушки и среднего диаметра куска слагающих ее пород и т. п.) и резерв.
Оценка возможного прироста запасов и необходимые меры контроля
Предлагаемый вариант развития горных работ с выемкой запасов за пределами охранного целика позволяет увеличить количество запасов 1 -й очереди отработки на 76,9 % (табл.). При этом обеспечивается прирост запасов 1-го этажа на 190,7 %, что позволит избежать резкого продолжительного спада объемов добычи при окончании открытых горных работ.
Оценка прироста проектных запасов в отм. +180/-100 м с учетом частичного вовлечения в отработку запасов временного охранного целика
Evaluation of the increase of project reserves at the levels of +180/—100 m with the partial mining of the protecting pillar reserves
Этаж Level Запасы руды по проекту, тыс. т Project reserves, thousand t С учетом прирезки (предлагаемый вариант), тыс. т Taking into account the cutting (proposed option), thousand t Прирост запасов (предлагаемый вариант), % Reserves growth (proposed option), %
+180/+100м +180/+100m 1 827 5 311 190,7
+100/0 м +100/0 m 6 261 15 999 155,5
0/-100 м 0/-100 m 18 498 25 728 39,1
Всего Overall 26 586 47 038 76,9
При принятии решения об изменении границ охранного целика необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по контролю за состоянием подработанного массива горных пород, который позволит оценить происходящие изменения и обеспечить сохранность объектов на дневной поверхности и в пределах горного отвода Ньоркпахка при ведении горных работ в разрезах 8-11.
Комплекс мероприятий должен включать:
• уточнение параметров напряженного состояния пород натурными методами (метод разгрузки, метод дискования керна и др.);
• мониторинг геомеханического состояния массива горных пород на нескольких масштабных уровнях, обеспечивающий решение задач по комплексной оценке состояния массива на основе геофизических методов контроля;
• математическое моделирование НДС и устойчивости подработанных пород с учетом уточненных параметров поля напряжений, геологического строения массива, а также фактических и запланированных на ближайший период очистных работ.
В результате мероприятий выполняется прогноз напряженно-деформированного состояния подработанного массива и определяется его устойчивость. При необходимости проводится корректировка технологии подземных горных работ.
Выводы
Таким образом, анализ многовариантных расчетов НДС и развития зон критических растягивающих деформаций в кровле создаваемых обнажений и у дневной поверхности показал, что подрабатываемый массив остается устойчивым при выемке запасов месторождения Олений ручей в отметках +180...-100 м максимально до разреза 8 с формированием опережения вышележащих подэтажей к нижележащим под углом 45° и обеспечением необходимой системы мониторинга за состоянием подработанного массива. Это позволит дополнительно вовлечь в отработку 26,5 млн т балансовых запасов и обеспечит выход рудника на проектную мощность раньше на 1 год, чем это предусмотрено проектной документацией. При этом период стабильной отработки запасов в отметках +180.-100 м вырастет на 4 года.
Подход, примененный в данной работе к оценке подработанного массива, может использоваться для уточнения параметров охранных зон при отработке смежных месторождений в условиях тектонического сжатия пород и обеспечивать повышение полноты извлечения запасов и снижение рисков техногенных катастроф при ведении горных работ в условиях взаимного влияния открытых и подземных очистных пространств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Methodological approaches and realization of joining zones mining in the rockburst hazardous conditions /A. A. Kozyrev [et al.] // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. 2016. Book 1, Vol. 2. P. 565-572. 2. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. М.: Недра, 1988. 112 с 3. Инструкция о порядке утверждения мер охраны зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок (РД 07-113-96): утв. постановлением Госгортехнадзора России от 28.03.1996 № 14. 4. Временные правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород. Л.: ВНИМИ, 1986. 5. Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит» / А. А. Козырев [и др.]; Кольский научный центр РАН; Горн. ин-т, ОАО «Апатит». Апатиты, 2002. 51 с. 6. Козырев А. А., Семенова И. Э., Шестов А. А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород как основа прогноза удароопасности на разных этапах освоения месторождений // Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ: тр. Всерос. науч. конф. с междунар. участием. 2009. С. 251-256. 7. Методика регионального прогноза удароопасности и состояния массива пород и выбора технических решений по обеспечению безопасности и эффективности горных работ / А. А. Козырев [и др.] // Инновационный потенциал Кольской науки. Апатиты, 2005. С. 52-56. 8. Kozyrev A. A, Semenova I. E., ZemtsovskiyA. V. Investigation of Geomechanical Features of the Rock Mass in Mining of Two Contiguous Deposits under Tectonic Stresses // Procedia Engineering. 2017. Vol. 191. P. 8-9.
Сведения об авторах
Лукичев Сергей Вячеславович — доктор технических наук, директор Горного института ФИЦ КНЦ РАН E-mail: lu24@goi.kolasc.net.ru
Семенова Инна Эриковна — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Горного института ФИЦ КНЦ РАН E-mail: innas@goi.kolasc.net.ru
Земцовский Александр Васильевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Горного института ФИЦ КНЦ РАН E-mail: zemtsovskiy@yandex.ru
Громов Евгений Викторович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Горного института ФИЦ КНЦ РАН E-mail: evgromov@list.ru
Author Affiliation
Sergey V. Lukichev — Doctor of Sciences (Engineering), Director of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: lu24@goi.kolasc.net.ru
Inna E. Semenova — PhD (Engineering), Leading Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: innas@goi.kolasc.net.ru
Alexander V. Zemtsovskii — PhD (Engineering), Senior Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: zemtsovskiy@yandex.ru
Yevgeny V. Gromov — PhD (Engineering), Senior Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: evgromov@list.ru
Библиографическое описание статьи
Определение границ охранных целиков в тектонически напряженных массивах / С. В. Лукичев [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 2 (11). — С. 19-27.
Reference
Lukichev Sergey V., Semenova Inna E., Zemtsovskii Alexander V., Gromov Yevgeny V. The Definition of the Protective Pillar Boundaries in Tectonically Stressed Rock Masses. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 2 (11), pp. 19-27. (In Russ.).
