CC BY
32
УДК 622.831
Д.Н.ПЕТРОВ, канд. техн. наук, ассистент,petrovgs@mail.ru.
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
D.N.PETROV, PhD in eng. sc., assistant lecturer, petrovgs@mail.ru. Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ДО И ПОСЛЕ ОСУШЕНИЯ
Приведены результаты и выполнен анализ численного моделирования формирования естественного напряженного состояния массива горных пород до и после проведения мероприятий по его осушению. Для описания поведения пород применялась упругая и упруго-пластическая модели деформирования.
Ключевые слова', массив, напряжения, поровое давление, подземные воды, осушение.
STRESS AND STRAIN STATE OF STRATA BEFORE AND AFTER DRAINAGE
Result of numerical modeling of natural in-situ stress formation before and after drainage work is given. Elastic and elastic-plastic material model is used for soil behavior. Key words: strata, stress, pore pressure, underground water, drenage.
Большое количество эксплуатируемых и разведанных рудных месторождений полезных ископаемых на территории Российской Федерации располагается в сложных горно- и гидрогеологических условиях. Многие из них либо обводнены, либо залегают под напорными водоносными горизонтами, мощность которых может достигать 500 м. Освоение таких месторождений сопровождается осушительными и водопони-зительными мероприятиями. В результате происходит существенное изменение естественного напряженного состояния массива, формируются крупные депрессионные воронки, изменяются условия питания и разгрузки подземных вод. Как показывает практика, существующие методы прогноза геомеханического состояния массива не всегда оказываются эффективными, что увеличивает риски возникновения аварийных ситуаций при ведении горно-проходческих и очистных работ.
Задачей исследования было изучение влияния фактора осушения массива на пере-
распределение напряжений и деформаций в массиве до начала ведения горных работ применительно к условиям Яковлевского железорудного месторождения Курской магнитной аномалии. Решением проблемы по определению полей напряжений в рудном массиве Яковлевского месторождения посвящена работа [5], однако в ней при постановке задачи не учитывался фактор присутствия в геологическом разрезе подземных напорных водоносных горизонтов.
В геологическом строении месторождения выделяются два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща осадочных пород горизонтального залегания. Богатые руды залегают среди выветрелых железистых кварцитов на глубине 480-590 м с углом падения 65-75° полосами клинообразной формы. Гидрогеологические условия месторождения характеризуются наличием в разрезе семи водоносных горизонтов, разделенных на два водоносных комплекса
Рис.1. Геологический разрез Яковлевского месторождения (расчетная схема к моделированию) 1 - почвенно-растительный слой; 2 - песок; 3 -мергель; 4 - мел; 5 - песок, песчаная глина; 6 - глинистый песок; 7 - глинистый сланец; 8 - глина; 9 - песчаник, аргиллит; 10 - песчаник, глинистый песок; 11 - глинистый песок, глина; 12 - известняки карбона; 13 - сланец; 14 - железистые кварциты; 15 - руда железослюдково-мартитовая; 16 - руда
гидрогематитовая; 17 - переотложенные руды
Физико-механические свойства горных пород
Наименование породы Характеристики
у, кН/м3 Е, МПа V Ф, град. С, кПа я, %
Почвенно-растительный слой и пески 19,2 200 0,27
Мела кампана 18,6 650 0,24 20 100 50
Мергель 22,3 6300 0,24 15 60 43
Мела коньяк-турона 19,7 6300 0,26 20 175 42
Пески 20,2 480 0,32 27 150 38
Глины 21,3 460 0,34 18 120 32
Пески и глины карбона 20,6 470 0,34 15 250 36
Известняки карбона 24,5 3640 0,26 28 780 16
Руды переотложенные 34,8 1500 0,27 33 100 20
Руды железослюдково-мартитовые 33,0 500 0,35 23 380 40
Руды гидрогематитовые 32,0 2600 0,26 32 600 26
Железистые кварциты 34,3 10700 0,23 42 15100 13
Сланцы 31,1 2890 0,22 40 6300 21
в осадочном чехле и кристаллическом из-за наличия в разрезе региональных во-
фундаменте. Водоносные горизонты оса- доупоров. На рис. 1 представлен геологиче-
дочной толщи не оказывают влияния на ский разрез Яковлевского месторождения
обводнение рудной залежи месторождения вкрест простиранию.
_ 233
Санкт-Петербург. 2011
-20
-10 -
\ S «F III
1 1 1 \ \ Vr2
1 I
i 200 400 600 800' ■ 1 • 1000 1 \ 1200 1400 1600
Расстояние, м
1
10
Рис.2. Распределение вертикальных напряжений на горизонтах -370 (1) и -425 м (2)
до осушения
-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2
• н
п и 11 11
11 11 11 11
[V . 2 Г 11
1 \
1 \ ;
\ \ » \ » Л . - . » "к И || *Л А z'' ~
1 * НИ А 1 . " YЧ' ф I'll и \ / 1 \ /
200 400 600 800 10 '1 )0 1200 1400 1600
Расстояние, м
Рис.3. Распределение горизонтальных напряжений на горизонтах -370 (I) и -425 м (2)
до осушения
Конечно-элементная модель рассматриваемого месторождения имела размеры 1650 м в длину и 1150 м в глубину. На первом этапе моделирования напряженное состояние массива формировалосьза счет собственного веса пород и взвешивающего действия воды (порового давления). Величина
напора подземных вод в районе ведения горных работ составляла от 450 до 530 м. На втором этапе путем снятия порового давления моделировался процесс осушения рудного тела. Поведение горных пород и руд описывалось упруго-пластической моделью Кулона - Мора. В таблице приведены физико-
механические показатели вмещающих пород и руд [1,2], принятые для моделирования: у - объемный вес, Е - модуль деформации, V - коэффициент поперечной деформации, ф - угол внутреннего трения, С - сцепление, п - пористость.
На рис.2,3 приведено распределение вертикальных и горизонтальных напряжений по горизонтам -370 м и -425 м до осушения месторождения. Максимальная концентрация эффективных напряжений прослеживается в сланцах висячего бока месторождения. Здесь величина вертикальных напряжений достигает 32-37 МПа, горизонтальных - 9 и 18 МПа. В рудном теле вертикальные напряжения уменьшаются и в зависимости от типа руды колеблются в интервале от 2 до 12 МПа. В железнослюдково-мартитовых рудах, обладающих большей деформатив-ной способностью происходит снижение напряжений, в гидрогематитовых - концентрация. В железистых кварцитах лежащего бока напряжения составляют 13-16 МПа, в при-контактной зоне со сланцами резко падают до 5,5 МПа и затем выравниваются до уровня 10-12 МПа. В среднем вертикальные на-
пряжения на горизонте -425 м превосходЯт напряжения на горизонте -370 м на 1,5-3 МГ^ Для горизонтальных напряжений характер^ на разгрузка в рудном массиве до значен^ 1,8-5 МПа. Скачки напряжений приурочен^ к участкам контакта пород и руд с разлиц. ными деформационными и прочностных^ характеристиками.
Проведение осушительных работ (сн^. тие порового давления в рудах от горизонт^ -425 м до известняков карбона) вызва^0 изменение в напряженно-деформированное, состоянии как рудного, так и вмещающего массива горных пород. Наибольшие вертц_ кальные деформации происходят в центре известняков карбона на контакте с перео^ ложенными рудами и составляют 70 с^ (рис.4), в породах висячего и лежащего бо^ их величина уменьшается до 20-30 см. Т^ ким образом, еще до начала ведения горнь^ работ произошел прогиб водоупорного слоч карбона на 40-50 см. На дневной поверхно» ста образовалась воронка с центром по^ рудным телом, мульда оседания составит^ 32-35 см. Полученные величины смещение обусловлены только непосредственным осу_
Рис.4. Изолинии распределения вертикальных смещений массива после проведения осушения (см)
Санкт-Петербург. 2011
Рис.5. Формирование зон пластических деформаций в массиве после осушения
Рис.6. Распределение вертикальных напряжений на горизонтах -370 (1) и -425 (2) м после осушения
шением рудного тела, понижение напоров подземных вод в вышележащих водоносных горизонтах не учитывалось.
На рис.5 показаны зоны пластических деформаций, образовавшихся в результате осушения. Формирование зон пластических деформаций происходит в лежащем и висячем боках и приурочены к участкам контакта прочных вмещающих пород и слабых железослюдково-мартитовых руд. Обеспечению устойчивости выработок на данных участках должно уделяться особое внимание, поскольку еще до начала ведения проходческих работ массив будет разупрочнен. К наиболее опасной области следует отнести зону пластических деформаций, проходящую через породы карбона в районе пе-
236 _
реотложенных руд. Наличие пластических деформаций может привести к раскрытию трещин, увеличению скорости фильтрации воды и тем самым создать гидравлическую связь между водоносными комплексами в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте.
Распределение вертикальных и горизонтальных напряжений после осушения рудного массива приведены на рис.6, 7. Характер их изменения аналогичен распределению напряжений до осушения, с тем отличием, что за счет снятия взвешивающего действия воды произошло возрастание эффективных напряжений. Величина вертикальных напряжений изменяется от 3 до 15 МПа, горизонтальных - от 2 до 9 МПа.
Рис.7. Распределение горизонтальных напряжений на горизонтах -370 (1) и -425 (2) м
после осушения
На рис.8, 9 показано распределение коэффициента бокового давления в рудном массиве на горизонтах -370 и -425 м.На обоих горизонтах в лежащем боку в желе-зослюдково-мартитовых рудах его величина составляет 0,3, при удалении от лежащего блока происходит плавное возрастание до 0,6-0,7. При входе в гидрогематитовые руды на горизонте -370 м коэффициент бокового давления резко падает до 0,42, на горизонте -425 м также наблюдается его уменьшение, но с меньшей интенсивностью. В прослойке гидрогематитовых и железослюдково-марти-товых руд происходит пиковое увеличение коэффициента бокового давления до 1-1,1. Далее, в зависимости от типа руд, скачкообразное увеличение (уменьшение) в диапазоне 0,75-0,23. В висячем боку коэффициент бокового давления выравнивается до 0,4-0,45. Характерным для обоих горизонтов является увеличение коэффициента бокового давления после осушения рудного массива. В среднем его величина возрастает на 10-15 %.
Результаты глубокого водопонижения на существующих месторождениях Курской магнитной аномалии, например, Южно-Белозерского, показали, что мульда оседания земной поверхности может доходить до 2,5-3 м [4]. Деформации произошли в резуль-
тате предварительного и активного водопонижения толщи пород с суммарным напором подземных вод около 250 м.
Применительно к Яковлевскому месторождению в работе [3] на основе расчетных методик и экспериментально полученных характеристик пород (коэффициент сжимаемости и пористости) был сделан прогноз осадки пород от водопонижения. Расчет производился в следующей постановке: геологический разрез принимался усредненным из разрезов пяти скважин, расположенных в лежащем боку рудного тела; начальный напор для каждого пласта определялся разностью между высотными отметками статического уровня воды и среднего сечения рассматриваемого пласта, конечные напоры принимались равными нулю; осушение производилось на всю мощность от поверхности до рудного тела; влажность пород до и после осушения не изменялась.
Результаты показали, что кривая оседания земной поверхности в связи с большим радиусом влияния водопонижений будет пологой с максимальным значением вертикальных деформаций 0,9 м. Были выполнены инструментальные наблюдения за оседанием земной поверхности на первоначальном этапе водопонижения (понижение пьезомет-
_ 237
Санкт-Петербург. 2011
и/
0,2
670 720 770 820 870 920 970
Расстояние, м
Рис.8. Распределение коэффициента бокового давления X на горизонте -370 м до (1)
и после (2) осушения
/
^ 2
___ _______о \ -- V---1 \ \Ч * ч _/ *
Ьч V
720
770
820 870 920
Расстояние, м
970
1020
Рис.9. Распределение коэффициента бокового давления А. на горизонте - 425 м до (1)
и после (2) осушения
рического уровня воды на 170 м). Наибольшая зафиксированная величина оседания составила приблизительно 50 мм и достаточно близко совпала с расчетной. Если сравнить результаты численного моделирования и расчета осадок по методике [3], видно, что они отличаются приблизительно
в 2,5-3 раза. Стоит отметить отличие в постановке граничных условий - если в конечно-элементной модели рассматривалось водопонижение только в рудном теле, то в расчетной методике закладывалось осушение всей толщи пород, что и привело к такой значительной разнице.
ЛИТЕРАТУРА
1. Геология, гидрогеология и железные руды Курской магнитной аномалии. Т.1-3. М.: Недра. 1970.
2.Дашко Р.Э. Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд Яковлевского рудника // Записки Горного института. 2006. Т. 168.
3. Кацнельсон H.H. Определение углов сдвижения и расчет осадки пород от водопонижения / Н.Н.Кацнельсон, Н.М.Никольская, И.П.Иванов; Труды ВНИМИ. СПб, I961.C6.42.
4. Мироненко В.А. Гидрогеологические исследования в горном деле / В.А.Мироненко, Ю.А.Норватов, Л.И.Сердюков. М.: Недра, 1976.
5. Потемкин Д.А. Параметры поля напряжений в руднокристаллическом массиве до начала ведения горных работ / Д.А.Потемкин, В.Ф.Плащинский // Записки Горного института. 2006. Т. 168.
REFERENCES
1. Geology, hydrogeology and iron ores of the Kursk magnetic anomaly. Moscow: Nedra. 1970. V.l-3.
2. Dashko R.E. Engineering geological characterization and evaluation of high-grade iron ore mine Yakovlevskiy // Notes of the College of mines. 2006. V.168.
3. Kcanelson N.N., Nikolskaya N.M., Ivanov IP. Determination of the angles and the calculation of subsidence sediments of rocks from dewatering; The works of VNIMI. 1961. V.42.
4. Mironenko V.A., Norvatov Y.A., Serdykav L.I. Hydro-geological investigations in the mining sector. Moscow: Nedra, 1976.
5. Potemkin D.A., Plashinskiy V.F. Parameters of the stress field in ore-crystal array before mining // Notes of the College of mines. 2006. V.168.
Санкт-Петербург. 2011
