CC BY
32
© В.Н. Одиниев, H.A. Милетенко, 2015
УДК 622.83:624.046
В.Н. Одинцев, Н.А. Милетенко
ВЛИЯНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Рассмотрены вопросы взаимодействия техногенных гидрогеологических и геомеханических процессов при подземной разработке твердых полезных ископаемых. Утверждается, что анализ этого взаимодействия должен проводиться с учетом геодинамического подхода. В рамках компьютерного моделирования с использование МКЭ, теории трещин и теории перколя-ции рассмотрены примеры формировании в массиве пород наведенных каналов для движения воды. Первый пример посвящен образованию магистральных открытых трещин в водоупоре, разделяющем водоносный слой и подземное пространство при скважинной разработке богатых железных руд КМА. Во втором примере рассмотрены особенности образования наведенных фильтрационных каналов в целике, разделяющем дно карьера и подземное пространство при разработке алмазоносной трубки. Показано, что в обоих случаях важную роль в образовании наведенных каналов играет величина горизонтальных тектонических напряжений в массиве пород. Сделан вывод о том, что в прогнозах состояния массива пород необходимо уделять повышенное внимание величине природных горизонтальных напряжений, а при отсутствии натурных данных - необходимо проводить моделирование геопроцессов при различных величинах этих напряжений.
Ключевые слова: горные породы, разработка месторождений, техногенные геопроцессы, геодинамические условия, водопроводящие трещины, наведенные каналы, проницаемость.
При ведении горных работ под водными объектами приходится решать две крупные задачи - охрана объектов от вредного влияния горных работ и охрана выработок от затопления. Задачи предотвращения опасных поступлений воды в горные выработки решались, как правило, с использованием разработок из теории фильтрации, инженерных методов маркшейдерии и расчетов напряженного состояния пород. Накоплен определенный опыт решения прогнозных задач, однако аварии на шахтах, связанные с негативным воздействием фактора воды, иногда случаются. Чтобы снизить элементы риска при подработке водных объектов, необходимо
более детально изучить конкретный механизм проникновения воды в горные выработки для разрабатываемого месторождения, выбрать определяющие факторы и установить степень их влияния.
Новым направлением исследований в изучении взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов должна стать геодинамика, включающая анализ активных сил, ответственных за напряженное состояние земной коры и взаимодействие структурных блоков пород. Геодинамический подход успешно применяется в прогнозировании динамических явлений в массивах пород при освоении земных недр и защите окружающей среды (см., например [1, 2]). Ниже показано, что геодинамические условия, а именно величина горизонтальных тектонических сил, может быть одним из определяющих факторов в прогнозировании проникновения воды в горные выработки, в то время как в маркшейдерских оценках этот фактор обычно не рассматривается.
Были рассмотрены условия роста техногенных трещин, образование которых кардинально изменяет гидрогеологическую обстановку в районе добычи. Открытые трещины разрыва могут служить главными каналами для проникновения шахтных вод на горизонты питьевой воды и поступления природной воды в горные выработки [3]. В рассмотренном примере анализ процессов трещинообразования используется для оценки экологической опасности смешения питьевой и сильно минерализованной воды при скважинной добыче богатых железных руд КМА.
При скважинной гидродобыче богатых железных руд предполагается отработка ограниченных запасов руды и неполное снятие напора в массиве рыхлых руд с тем, чтобы максимально использовать плывунные свойства руды для ее смещения к добычным скважинам. Исследование деформационных процессов в подработанной толще имеет экологическое значение, поскольку эти процессы могут изменить гидрогеологические условия и привести к нарушению природной системы снабжения района питьевой водой.
Исследования взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов, традиционно проводятся в рамках
известной схемы развития деформационных процессов [4]. Согласно этой схеме в подработанной толще можно выделить шесть зон, которые различаются по условиям деформирования и степени трещинообразования. Кардинальное изменение природной гидрогеологической системы возможно, если водные объекты попадают либо в зону обрушения, либо в зону прогиба с образованием нескольких сквозных водопроводя-щих трещин, либо в зону прогиба с системой техногенных трещин.
Однако эта известная схема деформирования налегающих пород не соответствует горно-геологическим условиям КМА и СГД технологии, поскольку в ней не учитываются горизонтальные напряжения в массиве пород, природное давление воды в налегающей толще и техногенное давление рудной воды. В связи с этим была разработана методика моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород, в рамках которой можно учесть не только геодинамические условия разработки, но и активное участие воды в разрушении массива пород. В этой методике используется концепция природно-техногенного гидроразрыва, который может произойти в массиве горных пород на границе водоносного пласта за счет проникновения воды в трещину, возникающую при техногенном изменении величины горного давления. Трещина природно-техногенного гидроразрыва может расти при благоприятном взаимодействии двух силовых факторов: давления природной воды, заполняющей трещину, и действующего напряжения вблизи трещины. В самом простом случае условие природно-техногенного гидроразрыва может
быть записано в виде |Р| > и, где Р - давление воды в трещине, иШп - наименьшая главная компонента техногенных
сжимающих напряжений.
С помощью разработанной методики исследовался процесс трещинообразования в налегающих породах при разработке залежи богатых железных руд в случае, когда пролет подработки Ь превышает глубину подработки Н . Область детального исследования НДС включает два слоя: верхний слой глинистого водоупора, мощностью 50 м и нижележащий слой из-
вестняка, мощностью 75 м. Пролет подработки известняка составляет 680 м, глубина разработки 500 м., величина давления пород на границе водоупора равна 8 МПа. Гидростатическое давление воды в вышележащем водоносном слое равно 3 МПа. При выемке некоторой части руды оставшаяся ее часть разрыхляется, частично выработанное пространство заполняется рудной водой, которая оказывает гидростатическое давление на известняк, равное 5 МПа. Усредненный модуль упругости известняка и водоупора равен 5000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.
Досконально величина природных горизонтальных сил не известна. Теоретические оценки могут не соответствовать действительности. Кроме того, величина природных горизонтальных сил, как следует из геодинамики, зависит от наличия близко расположенных контактов крупных структурных блоков массива пород. Поэтому коэффициент а (отношение наименьшего горизонтального напряжения сжатия к вертикальному напряжению, обусловленному весом налегающих пород), варьировался в диапазоне от 0,5 до 2.
Было проведено моделирование напряженного состояния горных пород с оценкой условий образования трещин, заполненных водой под давлением. На рис.1 схематично показан прогиб слоя известняка над разрыхленной обводненной рудой для случая (а = 1). На рисунке изображены изолинии наименьшего главного напряжения отШ, величина которого используется в оценке условия развития трещин. Из рисунка следует, что в областях (А1 и А2) действуют значительные напряжения растяжения (со знаком +), в областях (В1 и В2 ) напряжения сжатия.
При растяжении породы могут возникнуть трещины разрыва, в последующем развитии которых должна участвовать вода. Рис. 2 схематично отражает некоторые результаты расчетов траекторий трещин, изолинии напряжений здесь не показаны. Местоположение точек начала развития трещин варьировалось. Развитие трещин происходит только за счет последовательного изменения внутренних силовых факторов, внешние условия при этом не изменяются.
Рис. 1. Изолинии главных сжимающих напряжений сттт в известняке н слое водоупора: I - водоносный горизонт питьевой воды; II -разрыхленная обводненная руда; III - породы кристаллического фундамента
Рис. 2. Динамика развития магистральных водопроводящих трещин в подрабатываемом известняке
Интересно отметить, что верхняя трещина в процессе роста стремится к области наибольшей концентрации напряжений, в которой изгиб слоя максимален. Нижняя трещина сначала также проявляет тенденцию к развитию в область сжатия, однако затем развивается в вертикальном направлении.
Из результатов расчетов следует, что при рассматриваемых параметрах горно-геологических условий известняк и глинистый слой водоупора должны потерять несущую способность и защитные свойства. Очевидно, при достижении трещинами границ слоя (расчеты были остановлены на этапе е, рис. 2) должно произойти проседание крупных фрагментов массива, ограниченных протяженными магистральными трещинами. Как следствие, возможно значительное оседание налегающей толщи пород, нарушение природной гидрогеологической системы, смешение питьевой и сильно минерализованной воды.
При более высоких горизонтальных напряжениях, в частности при а = 1,5, водопроводящие трещины в указанных условиях не могут прорасти через весь известняк и слой водо-упора. Их величина и конфигурация примерно соответствуют тем трещинам, которые показаны на рис.1 (фрагмент б). Если коэффициент бокового распора меньше единицы, то прорастание трещин в известняке происходит даже в случае, когда пролет подработки известняка равен или меньше глубины разработки рудной залежи.
Таким образом, в этом примере выявлены некоторые особенности разрушения налегающих пород при их подработке и посадке на сильно обводненный разрыхленный массив. Установлено, что важную роль в изменении геомеханического состояния массива пород играют величина горизонтальных напряжений в нетронутом массиве и гидростатическое давление природной воды. В рамках маркшейдерского подхода оба фактора не учитываются, следовательно, учет гидрогеологических и геодинамических условий добычи позволяет более реально представить картину возможных изменений в массиве пород при скважинной гидродобыче.
В другом примере рассмотрены условия образования наведенного кластера водопроводящих каналов в массиве по-
род. Использован новый теоретический подход для оценки техногенной нарушенности массива, основанный на расчете напряженного состояния пород, вероятностной оценке прочности массива и некоторых положениях теории перколяции [5]. Под техногенной нарушенностью массива понимается изменение состояния природных трещинных контактов под влиянием процесса перераспределения напряжений. Нарушение даже части трещинных контактов может иметь негативные последствия, поскольку при нарушении контактов значительно возрастает их водопроницаемость и создаются условия для образования сети разветвленных водопроводя-щих каналов. Это может иметь большое значение для прогноза безопасности подземных горных работ в сложных гидрогеологических условиях.
Местоположение нарушенных контактов — случайный фактор. Однако в хаотическом расположении нарушенных контактов есть свои закономерности, которые исследуются в рамках теории перколяции. Главная цель исследований этой теории состоит в определении вероятности и закономерностей образования цепочек (кластеров) связанных объектов в неупорядоченных средах или структурах. При этом считаются известными вероятность нарушенных элементов в рассматриваемой структуре и геометрическая схема контакта элементов. Решающее значение для изменения качественного состояния рассматриваемой области имеет образование перколяционного (соединяющего) кластера, простирающегося от одной границы области до другой.
В массиве пород в результате случайного соединения нарушенных контактов может образоваться перколяционный кластер в некоторой подобласти, а при совокупном рассмотрении всех подобластей — интегральный перколяционный кластер из нарушенных трещинных контактов во всей области массива. Процедуры построения кластеров нарушенности элементов в подобластях и интегрального перколяционного кластера на-рушенности для всей области массива реализованы в виде компьютерной программы [5].
С использованием этой процедуры оценивалось состояние разделительного целика, отделяющего дно карьера и подземное
выработанное пространство, для горно-геологических условий, характерных для разработки крутопадающей алмазоносной трубки «Мир». Сначала решена задача о напряженном состоянии массива пород в горизонтальном целике, разделяющем дно карьера (I) и подземное выработанное пространство (II) (рис. 3, а). При этом принимались следующие значения параметров расчета: глубина карьера 500 м, угол наклона бортов 50°, мощность целика, разделяющего дно карьера и подземное выработанное пространство, 40 м, длина целика 200 м; плотность вмещающих пород 2.5 т/м3, прочность на одноосное сжатие образцов пород, слагающих целик, а * =25 МПа. Величина природных вертикальных напряжений в массиве пород определяется весом пород. На поверхности карьера и подземного выработанного пространства граничные напряжения, нормальные к поверхности, принимались равными нулю.
Величина природных горизонтальных напряжений достоверно неизвестна, поэтому рассматривались ситуации с разными значениями коэффициента а: 0.6; 0.8; 1,0; 1,4. Расчеты напряженного состояния целика выполнены методом конечных элементов. Некоторые обработанные результаты расчетов, например изолинии отношения эквивалентного напряжения Ми-зеса к прочности породы, показаны на рис. 1 для а =0,8. Вследствие симметрии на рис. 3, б показана только левая часть целика.
Рис. 3. Изолинии отношения напряжения Мизеса к прочности массива при мощности разделительного целика 40м и при коэффициенте бокового распора 0.8: а - изолинии в масштабе карьера; б - детальная картина изолиний в левой части разделительного целика (I — дно карьера, II — подземное выработанное пространство)
После расчета усредненных напряжений в целике рассматривалась его блочная структура с характерным размером блока 0,42 м. Цель исследования состояла в определении условий образования кластеров из нарушенных трещинных контактов, разделяющих структурные блоки. Эквивалентное напряжение Мизеса и прочность массива рассматривались как случайные величины с нормальным распределением. В качестве средних значений напряжения Мизеса использовались напряжения, найденные из расчета с помощью МКЭ, среднее значение прочности во всех подобластях принималось равным значению прочности породы.
В процессе моделирования определялась вероятность (доля)
нарушенных блоков р, которая использовалась в дальнейшем при статистических построениях кластеров нарушенных элементов во всех подобластях. С помощью специальной компьютерной программы эти кластеры объединялись для выявления интегрального кластера во всей области разделительного целика. Проведено 10 построений интегральных кластеров в целике для каждого из рассмотренных значений коэффициентов бокового распора и различной мощности целика.
Для целей настоящей работы интерес представляет зависимость образования сквозного кластера между верхней и нижней границами целика от природного горизонтального напряжения в массиве пород. На рис. 4, а показана вероятная картина положения структурных блоков со всеми нарушенными контактами при мощности целика 40 м и коэффициенте бокового распора 0.6. Как видно из рисунка, наиболее техно-генно нарушенные области в целике формируются в его краевой нижней и верхней центральной областях. В промежуточной области, как установлено во всех десяти построениях, нарушаются лишь отдельные элементы. В этом случае вероятность образования интегрального сквозного кластера из нарушенных элементов, соединяющего дно карьера и подземное выработанное пространство, пренебрежимо мала.
Из рисунка следует, что техногенная нарушенность целика сильно зависит от природных горизонтальных напряжений. Так при коэффициенте а =0,6 сплошная сеть наведенных транспортных каналов для воды с большой вероятностью должна
Рис. 4. Вероятные картины техногенной нарушенности разделительного целика (левая половина) при различной величине отношения природного горизонтального и вертикального напряжений: а —
а = 0.6; б — а = 0.8 ; в - а = 1.0; (мощность целика - 40м). Черные точки — структурные блоки с нарушенными трещинными контактами
отсутствовать. Случай а =0,8 соответствует критической ситуации в образовании сквозного кластера. В случае а =1,0 должна сформироваться мощная сеть транспортных каналов.
Таким образом, проведенное моделирование наведенной нарушенности массива позволяет получить наглядное представление о возможных состояниях целика при различной величине природных горизонтальных напряжений. Результаты исследования показывают, что горизонтальные напряжения влияют на особенности развития геопроцессов, связанных с просачиванием воды через массив по механизму фильтрации.
Следует заметить, что в проведенном исследовании массив пород в целике рассматривался как однородная среда. Если учитывать ряд природных факторов, связанных с неоднородностью массива и его крупноблочным строением, то сценарии проникновения воды в подземное пространство могут оказаться сложнее. Например, кластер нарушенности в неоднородной среде может трансформироваться в открытую протяженную магистральную трещину гидроразрыва, по которой возможно интенсивное движение воды.
Выводы
Несмотря на то, что проведенное исследование является теоретическим (численным) и включает ряд допущений, его результаты могут иметь значение для практики. В отношении целей настоящей работы следует отметить, что горизонтальные (тектонические) напряжения влияют на качественную картину взаимодействия геомеханических и гидрогеологических процессов, определяя условия образования тех или иных каналов для движения (или просачивания) воды. Следовательно, в прогнозных оценках необходимо уделять повышенное внимание оценке величины природных горизонтальных напряжений и проводить моделирование взаимодействия при различных величинах этих напряжений. Геодинамический фактор должен быть одним из определяющих в прогнозных исследованиях геопроцессов при освоении недр.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. - М.:Недра, 1996, 218с.
2. Батугин A.C. Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр. Диссер. докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 2008, 221 с.
3. Трубецкой К.Н., Иофис М.А., Милетенко И.В., Милетенко H.A., Одинцев В.Н. Проблемы комплексного гидрогеологического и геомеханического техногенного воздействия на геосреду. В сб. «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012, с. 51-56.
4. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985, 248c.
5. Милетенко И.В., Милетенко H.A., Одинцев В.Н. Моделирование наведенной нарушенности массива пород вблизи горных выработок // ФТПРПИ. - 2013. — № 6. - С.3-10 ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Одинцев Владимир Николаевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Odin-VN@yandex.ru,
Милетенко Наталья Александровна — кандидат технических наук, старший
научный сотрудник, nmilet@mail.ru,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
UDC 622.83:624.046
GEODYNAMICAL CONDITIONS FOR INTERACTION BETWEEN GEOMECHANICAL AND HYDROGEOLOGICAL PROCESSES UNDER MINING OF SOLID MINERAL RESOURCES
Odintsev V.N., DSc (tech.), Leading Research Scientist, ICEMR RAS, Odin-VN@yandex.ru, Institute for Comprehensive Exploration of Mineral Resources, RAS.
Miletenko N.A., PhD (tech.), Senior Research Scientist, ICEMR RAS, nmilet@mail.ru, Institute for Comprehensive Exploration of Mineral Resources, RAS.
The paper considers interaction of hydrogeological and geomechanical processes during underground mining of solid minerals. Analysis of this interaction should involve geody-namical approach. Examples of development of induced water channels in the rock are analyzed within the framework of computer modeling basing on FEM, the theory of cracks and the theory of percolation. The first example illustrates development of major open joints in the confining bed separating the aquifer from the underground space during borehole mining of KMA iron ore. The second example demonstrates specific features of development of induced filtration channels in the pillar separating the quarry from the underground space during diamond pipe mining. Magnitude of horizontal tectonic stress is shown to play an important role in the development of induced channels in both cases. It is concluded that prognosis of rock mass state should focus on magnitude of natural horizontal stresses, and in the absence of appropriate in-field data it is necessary to model the geoprocesses with different magnitudes of these stresses.
Key words: Rocks, mining, technogenic geoprocesses, geodynamical conditions, water conducting joints, induced channels, permeability
REFERENCES
1. Petukhov I.M., Batugina I.M. Geodinamika nedr (Geodynamics of mineral resources), Moscow, Nedra, 1996, 218 p.
2. Batugin A.S. Improvement of methods for assessment of geodynamical state of rock blocks to increase ecological safety of exploration of mineral resources (Sovershenstvovanie metodov otsenki geodinamicheskogo sostoyaniya blochnogo mas-siva gornykh porod v tselyakh povysheniya ekologicheskoi bezopasnosti osvoeniya nedr), Doctor's thesis, Moscow, MSGU, 2008, 221 p.
3. Trubetskoi K.N., Iofis M.A., Miletenko I.V., Miletenko N.A., Odintsev V.N. Problems of complex hydrogeological and geomecanical technogenic effects on geoen-vironment. In: Fundamental problems of technogenic geoenvironment formation (Prob-lemy kompleksnogo gidrogeologicheskogo i geomekhaniche-skogo tekhnogennogo vozdeistviya na geosredu), V sb. «Fundamental'nye problemy formirovaniya tekhnogen-noi geosredy», Novosibirsk, IGD SO RAN, 2012, pp. 51-56.
4. Iofis M.A., Shmelev A.I. Inzhenernaya geomekhanika pri podzemnykh raz-rabotkakh (Engeneering geomechanics during underground mining), Moscow, Nedra, 1985, 248 p.
5. Miletenko I.V., Miletenko N.A., Odintsev V.N. Mining Journal, 2013, no 6, pp. 3-10.
