CC BY
15
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(3-1):105-115 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.838 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-105-115
ГЕОДЕФОРМАЦИОННЫЙ ПОЛИГОН И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ШАХТЕ МАГНЕЗИТОВАЯ
Р.В. Криницын
Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
Аннотация: Саткинское месторождение является опасным по горным ударам. Критическая глубина, ниже которой при подземной разработке месторождения применяются меры профилактики динамических проявлений горного давления, начинается с горизонта +180 м. Лабораторией геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН создан геодеформационный полигон, который с помощью автоматической системы контроля деформационных процессов позволяет оперативно отслеживать изменения напряженного состояния массива и своевременно реагировать на них. Дополнительно оборудованы станции - на больших базах по методу гибких нитей, щелемерные станции, станции по методу фотоупругих включений (датчиков). А управляя состоянием массива горных пород, персонал комбината обеспечивает безопасность очистных работ на месторождении. Это позволяет минимизировать проявление горного давления в статической и динамической формах, и соответственно обеспечить безопасность людей, занятых на работах в подземных условиях.
Ключевые слова: деформационный мониторинг, контроль массива пород, метод фотоупругих включений, метод гибких линий, щелевая разгрузка, автоматическая система контроля горного давления.
Благодарность: Исследования выполнены в рамках государственного задания №07500581-19-00 по теме № 0405-2019-0007.
Для цитирования: Криницын Р.В. Геодеформационный полигон и геомеханические исследования на шахте Магнезитовая // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 3-1. - С. 105-115. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-105-115.
Geo-deformation polygon and geomechanical research at the mine Magnesitovaya
R.V. Krinitsyn
The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia
Abstract: The Satka deposit features rockburst hazard. The critical depth for launching prevention of dynamic phenomena of strata pressure in underground mining is from level +180m downward. The Geodynamics and Rock Pressure Laboratory at the Institute of Mining, Ural Branch, Russian Academy of Sciences has designed a geo-strain control facility enabling prompt tracking and early response to variations in the stress state of rock mass using the automated monitoring system. The automated monitoring system allows real-time tracking of deformation processes. The control facility is additionally equipped with large-spacing flexible© P.B. KpMHM^iH. 2020.
wire gauging stations, slot-measuring stations and photoelastic strain gaging stations. The geo-strain control facility makes it possible to respond promptly to the changes in the stress state of rock masses. The mine personnel apply appropriate ground control techniques which ensure safety of mining. As a result, the static and dynamic phenomena of strata pressure are minimized, and, consequently, safety of underground mine personnel is improved. Key words: Strain monitoring, rock mass control, photoelastic strain gaging, flexible wire method, borehole slotter, automated rock pressure control.
Acknowledgments: the Research was carried out within the framework of the state task № 07500581-19-00 on the topic № 0405-2019-0007.
For citation: Krinitsyn R.V. Geo-deformation polygon and geomechanical research at the mine Magnesitovaya. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(3-1):105-115. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2020-31-0-105-115.
Введение
Саткинское месторождение магнезита находится на территории Сат-кинского района Челябинской области в двух километрах севернее железнодорожной станции Сатка. Протяженность месторождения, состоящего из семи участков (с юго-запада на северо-восток — Каргинский, Северо-Карагай-ский, Карагайский, Гологорский, Мель-нично-Паленихинский, Волчьегорский, Степной), два из которых (Волчьегорский и Степной) полностью отработаны, составляет около 10 км при ширине рудоносной полосы 500 — 700 м. Часть магнезитовых залежей расположена под городом Сатка (рис. 1).
Саткинское месторождение магнези-тов (Южный Урал) представлено серией рудных тел пласто- и линзообразной формы длиной по простиранию 1,3 — 3,6 км, по падению 100^500 м. Азимут простирания рудных тел 45,55°, углы падения на ЮВ изменяются в пределах 10 — 85°, составляя в среднем 30,45°. Нормальная мощность рудных тел находится в диапазоне 8,30 м.
В доломитах (особенно в слоистых) и магнезитах выделяется система пластовых трещин с ровной, иногда со штрихами скольжения, поверхностью. Система трещин северо-восточного простирания ориентирована в основном согласно простиранию основных складчатых структур. Вне-
дрение даек в осадочную толщу происходило по ослабленным зонам. Широкое развитие на рудном поле получила система трещин северо-западного простирания с крутым падением на юго-запад (210 — 240°). К этой системе приурочены прожилки вторичного доломита, реже дайки диабазов [1 — 3].
Исследования геомеханического
состояния массива пород
Начиная с 2019 — 2020 гг. отработка месторождения будет производиться подэтажно-камерной системой с твердеющей закладкой. Учитывая сложность массива пород, встречающиеся зеркала скольжения, тектонические нарушения, дайки, уровень природных напряжений в массиве горных пород, параметры системы отработки, руководством комбината совместно с сотрудниками лаборатории геодинамики и горного давления ИГДУрО РАН было принято решение о создании геодеформационного полигона, в задачу которого входит контроль изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
Лабораторией геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН постоянно ведутся исследования геомеханического состояния массива пород, которые включают исследование физико-механических свойств руд и пород месторождения, расчет изме-
Ст4РС&1ЛГМ(0
Kxofat.-»
Мдомо ;«сс» rturoi.j
Крое*!! ГСС«-»
ЕЯ VV(WM,
Уфа
KJpMXwU».
Xjc-vxmo
СП
У.*уС\у
Я>чх
Н0«0СЧ.Ч>ЛА1
Км.тии'
Mcct/yjoto А«К>ув0*0 В»Р1"Г«К1<ГИ
MMOU
K>vooj>
'•f-f ' „ ■ . J
CTJ 6C010.JU
Ap-fjiuj
Куса
3«itoy<t
Куяумо
□
MuKCiCi
Auj Слм
VcivKiT* ^^
• «<- • *
Челябинск ° Kc«*Ac«
ns
E3
Tc4ircou
I
[w>m(IM<t
ЧЕЛЯБИНСКАЯ V*.» ОбЛДСТЬ avKf
Рис. 1. Расположение Саткинского месторождения Fig.l. Location of the Satkadeposit
о
нения напряженно-деформированного состояния массива пород при отработке месторождения. Лабораторией геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН проведена работа по организации геодеформационного полигона для наблюдения за изменением напряженного состояния массива пород.
Полигон на сегодняшний день включает 5 различного вида наблюдательных станций:
• замерные станции — деформационные линии длиной =50 м, замеряемые по методу гибких нитей
• щелемерные станции
• замерные станции по методу фотоупругих включений
• автоматизированная станция контроля горного давления (АСКГД)
• автоматизированная система сейсмометрического контроля «Релос»
Автоматизированные станции проектировались и устанавливались Институтом горного дела УрО РАН совместно с НТЦ «Автоматика» г. Красноярск.
Деформационные линии
Для подземного полигона выбраны две различно ориентированные выработки (приблизительно под прямым углом друг к другу) в околоствольном дворе на горизонте +180 метров ш. Магнезитовая, в которых заложены реперные линии на базах до 50 м. Третья линия была заложена в вентиляционном штреке в районе орта № 10. Расстояния между реперами измеряются рулеткой по методике гибких нитей [4].
Щелемерные станции
Оборудование станций наблюдений проводится при помощи установки реперных устройств на контуре массива. Между реперами выпиливается разгрузочная щель (рис. 3). Для образования щели используется автономная алмазная пила, которая позволяет пропилить щель шириной 330 мм на глубину 120 мм.
Рис. 3. Схема щелемерной станции
Fig. 3. Scheme of the slit-metering station
Используются оловянные репера, установленные по обе стороны щели. Расстояние между реперами было принято 70 мм. Суть метода заключается в измерении деформации между реперами до разгрузки и после нее. При этом данное оборудование полностью автономное, не требующее подключения к магистралям со сжатым воздухом, привязки к электрическим сетям и водопроводу. По замерам в местах установки станций были произведены расчеты действующих природных напряжений. Впоследствии на этих базах производятся измерения произошедших деформаций и определения изменения напряженно-деформированного состояния во времени.
Замерные станции по методу
фотоупругих включений
Метод фотоупругих включений основывается на измерении напряжений в фотоупругих датчиках, помещенных в буровые скважины и шпуры. Фотоупругий датчик устанавливают так, что с помощью цементирующего состава обеспечивается всесторонний контакт со стенками шпура (рис. 5).
Рис. 4. Места оборудования щелемерных станций Fig. 4. Places of location of the slit-metering stations
Деформация шпура воспринимается датчиком. При этом в датчике возникает поле напряжений, которое отображается в виде изменяющаяся во времени интерференционной картины полос (рис. 6). Замер производится специальным прибором полярископом [5].
Автоматическая система контроля горного давления
Для контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива пород удароопасности руководством комбината принято решение об организации автоматизированного наблюдения за массивом горных пород. Для этого была выбрана система «Градиент» — разработка НТЦ «Автоматика» г. Красноярск.
Измерительная система «Градиент» предназначена для деформометриче-ского мониторинга. Она может быть использована для:
• автоматического многоточечного измерения расстояний, смещений, деформаций, конвергенций, а также
градиентов скоростей и ускорений, их измерений с помощью индуктивных бесконтактных датчиков;
• проведения скважинных измерений деформаций краевых участков массивов горных пород и фундаментов;
• контроля флуктуаций и раскрытия трещин в обделке тоннелей и массивах горных пород;
• измерения смещений несущих элементов горной крепи, измерения деформаций и смещений ответственных узлов несущего каркаса производственных зданий и др. инженерных сооружений;
• организации сети наблюдения за состоянием потенциально опасных объектов в виде локальных измерительных участков, обеспечивающих проведение измерений различными типами датчиков, аналого-цифрового преобразования и регистрации данных, объединённых общей системой сбора данных наблюдений;
• организации телеметрической сети сбора информации и управления измерительными пунктами как распределённой
Рис. 5. Схема установки фотоупругого датчика в скважине: а — досылка бетона, б — установка датчика; 1 — поршень, 2 — корпус насоса, 3 — бетон, 4 — защитный слой, 5 деревянная пробка, 6 — металлическая трубка, 7 — отражающий слой, 8 — фотоупругий датчик
Fig. 5. Installation scheme of the photoelastic sensor in the well: a — concrete fiUing, b — sensor installation; 1 — sucker, 2 — pump housing, 3 — concrete, 4 — protective layer, 5 — wooden closure, 6 — metal tube, 7 — reflective layer, 8 — photoelastic sensor
радиально-параллельной, цифровой системы с использованием интеллектуальных устройств сбора, предварительной обработки и накопления данных наблюдений;
• автоматического, долговременного непрерывного наблюдения за состоянием контролируемых объектов в условиях реальных техногенных и природных воздействий с накоплением информации в локальной базе;
• подключения и использования в сети мониторинга, кроме штатных, наклономерных измерений радиоактивности и других первичных измерителей медленно меняющихся процессов, а также датчиков различного назначения (температуры, давления и др.)
Система «Релос»
Ранее шахтное поле месторождения было оснащено системой сейсмических наблюдений, которая так же входит в комплекс геодеформационного полигона.
Рис. 6: а — Схема интерференционных полос в фотоупругом датчике; б — Интерференционная картина полос в фотоупругом датчике
Fig. 6: a — Scheme of interference stripes in a photoelastic sensor; b — Pattern of interference stripes in a photoelastic sensor
АС «Релос» предназначена для проведения инженерно-сейсмометрических, микросейсмических и сейсмоакустиче-ских наблюдений за состоянием шахтных полей горнорудных предприятий, крупных подземных и наземных сооружений (тоннелей, дамб, подземных хранилищ, плотин гидроэлектростанций, зон захоронения токсичных и радиоактивных отходов (ОЯТ), атомных станций, высотных башен, труб, производственных зданий, прочих ответственных сооружений и объектов) и их реакцию на внешние сейсмические воздействия.
АС «Релос» обеспечивает:
• регистрацию сейсмосигналов от внешних сейсмических воздействий,
микросейсмических и сейсмоакустиче-ских сигналов, возникающих при динамических проявлениях горного давления в контролируемых массивах горных пород, а также в напряжённых элементах сооружений;
• непрерывную, помехоустойчивую передачу зарегистрированных сигналов на пункт сбора информации;
• селекцию сигналов на фоне технологических и электрических помех, накопление данных наблюдения, расчёт характеристик сигналов;
• определение параметров сейсмических, микросейсмических и сейсмо-акустических явлений;
• определение очагов повышенной опасности в контролируемых массивах горных пород;
• сопоставление предельных величин зарегистрированных колебаний (воздействий) с предельно допустимыми нормами деформаций, сооружений;
• контроль и прогноз состояния объектов [6 — 16].
Проведя детальное изучение геологических данных месторождения, имеющуюся горно-графическую документацию, сотрудники лаборатории геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН выбрали места заложения наблюдательных станций, согласовав их с техническим руководством комбината. Разработав рабочую документацию и согласовав ИГД УрО РАН, НТЦ «Автоматика», «Комбинат «Магнезит»
совместными усилиями смонтировали автоматизированную систему контроля горного давления на базе системы «Градиент», все данные которой выведены на пульт диспетчера шахты в режиме реального времени, что позволяет получать информацию о деформационных процессах, происходящих в массиве вблизи фронта очистных работ. Дополнительно при помощи АС «Релос» в режиме реального времени контролируется сейсмическая обстановка на производственных объектах.
Заключение
Для понимания процессов, происходящих в недрах, необходим постоянный контроль состояния горного массива и напряжений, действующих в нем.
Геодеформационный полигон, оборудованный на шахте Магнезитовая, позволяет вести оперативный контроль состояния массива горных пород в процессе очистной выемки. Достаточно большой объем работ выполняется специалистами лаборатории геодинамики и горного давления ИГД УрО РАН при регулярных выездах на предприятие, дополняя инструментальные замеры визуальным обследованием массива пород. Это позволяет своевременно реагировать на изменения напряженного состояния массива и вносить при необходимости изменения и дополнения в технологию производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Krinitsyn R., Avdeev A., Khudyakov S. Evaluation of geomechanicaL conditions at Magnezitovaya mine when undermining natural and anthropogenic objects // E3S Web of Conferences. - 2018. - pp. 02017.
2. Шевляков Е.В., Шелковый И.С. Совершенствование технологии отработки запасов Саткинского месторождения в пределах этажей +180/+260м и +100/+180м шахты «Магнезитовая» // Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений: сб. докл. — Екатеринбург, 2016. — 207 с.
3. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А., М.И. Потапчук и др. Геомеханическая оценка условий разработки глубоких горизонтов полиметаллического месторождения «Южное» // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2012. — № 5. — С. 125-134.
4. Зубков А.В., Феклистов Ю.Г., Липин Я.И., Худяков С.В., Криницын Р.В. Деформационные методы определения напряженного состояния пород на объектах недропользования //Проблемы недропользования.- 2016. — №4 (11). — С. 41 — 49.
5. Феклистов Ю.Г., Зубков А.В., Криницын Р.В. Контроль напряженного состояния горных и строительных объектов полярископом // Безопасность труда в промышленности. — 2017. — № 12. — С. 22 — 26.
6. Липин Я.И., Криницын Р.В. Актуальные вопросы оценки напряжений при прогнозе удароопасности на современном этапе //Современные проблемы механики. — 2018. — №33(3). — С.410 — 418.
7. Криницын Р.В., Полховский В.И., Худяков С.В. Повышение устойчивости кровли камер при отработке месторождений подземным способом //Проблемы недропользования. — 2018. — №1 (16). — С. 22 — 28.
8. Криницын Р.В., Селин К.В. Система мониторинга массива горных пород в Кун-гурской ледяной пещере // Комплексное использование и охрана подземных пространств: сб. докл. — Екатеринбург: ФГБУН ГИ УрО РАН, 2014. — С. 355 — 357.
9. CUI Xi-min, LI Chun-yi, YuAN De-bao et aL. The impacts of weak plane to the surface movement and discontinuous deformation // Journal of Hunan University of Science & Technology (Natural Science Edition), 2009, № 2, pp. 1 — 4.
10. Jiang Fu-Xing, Yang Shu-Hua, Cheng Yun-Hai et al. A study on microseismic monitoring of rock burst in coal mine // Chinese Journal of Geophysics, 2006, № 5, pp. 1511 — 1516.
11. Lan Tianwei, Zhang Hongwei, Han Jun et al. Study on rock burst mechanism based on geo-stress and energy principle./// Journal of Mining & Safety enginiring, 2012, № 29(6), pp. 840—845.
12. Yu Lijiang, Batugina I.M., Batugin A.S. Identify patterns of deformation earth's surface in order to reduce the impact of mining operations on the environment at the coal mineHuafeng // Science and Education: materials of the VI international research and practice conference, Munich, June 27th — 28th, 2014. — Publishing office Vera VerlagWaldkraiburg-munich-Germany, 2014. — pp. 474—477.
13. Шеметов Р.С. Интерпретация результатов проведения мониторинга деформационных процессов сложноконструктивных объектов в предгорье Северного Кавказа // Маркшейдерия и недропользование. — 2015. — № 1. — С. 54—58.
14. Морозов К.В., Экгарт В.И. Первые результаты эксплуатации автоматизированной системы подземного деформационного мониторинга массива горных пород на руднике «Глубокий» ОАО «ППГХО» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 7. — С. 516—523.
15. Борняков С.А., Салко Д.В. Инструментальная система деформационного мониторинга и её апробация в кимберлитовом карьере // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 2. — С.172 — 178.
16. Леонтьев А.В., Лобанова Т.В. Деформационный мониторинг движений породного массива на железорудных месторождениях Горной Шории // Интерэкспо ГеоСибирь. — 2014. — № 4. — С.133—138. ЕЛЗ
REFERENCES
1. Krinitsyn R., Avdeev A., Khudyakov S. Evaluation of geomechanical conditions at Magnezitovaya mine when undermining natural and anthropogenic objects. E3S Web of Conferences. 2018. pp. 02017.
2. SHevLyakov E.V., SHeLkovyj I.S. Sovershenstvovanie tekhnologii otrabotki zapasov Satkinskogo mestorozhdeniya v predelah etazhej +180/+260m i +100/+180m shahty «Magnezitovaya» [Improving the technology of mining the reserves of the Satkinsky Deposit within the floors + 180/+260m and +100/+180m of the Magnezitovaya mine]. Innovacionnye geotekhnoLogii pri razrabotke rudnyh i nerudnyh mestorozhdenij: sb. dokL. Ekaterinburg, 2016. 207 p. [In Russ]
3. Rasskazov I.Yu., Kursakin G.A., M.I. Potapchuk i dr. GeomechanicaL assessment of conditions for deveLoping deep horizons of the Yuzhnoye poLymetaLLic Deposit». Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh. 2012. no 5. pp. 125-134. [In Russ]
4. Zubkov A.V., FekListov Yu.G., Lipin Ya.I., Hudyakov S.V., Krinicyn R.V. Deformation methods for determining the stress state of rocks on subsurface use objects. Problemy nedropol'zovaniya. 2016. no 4 (11). pp. 41-49. [In Russ]
5. FekListov Yu.G., Zubkov A.V., Krinicyn R.V. ControL of the stress state of mining and construction objects with a poLariscope. Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2017. no 12. pp. 22-26. [In Russ]
6. Lipin Ya.I., Krinicyn R.V. TopicaL issues of stress assessment in predicting impact hazard at the present stage. Sovremennye problemy mekhaniki. 2018. no 33(3). pp. 410—418. [In Russ]
7. Krinicyn R.V., PoLhovskij V.I., Hudyakov S.V. Increasing the stabiLity of the roof of chambers when working out deposits by underground method. Problemy nedropol'zovaniya. 2018. no 1 (16). pp. 22 — 28. [In Russ]
8. Krinicyn R.V., SeLin K.V. Sistema monitoringa massiva gornyh porod v Kungurskoj ledyanoj peshchere [Monitoring system of the rock mass in the Kungur ice cave]. KompLeksnoe ispoL'zovanie i ohrana podzemnyh prostranstv: sb. dokL. Ekaterinburg: FGBUN GI UrO RAN, 2014. pp. 355 — 357. [In Russ]
9. CUI Xi-min, LI Chun-yi, YuAN De-bao et aL. The impacts of weak pLane to the surface movement and discontinuous deformation. JournaL of Hunan University of Science & TechnoLogy (NaturaL Science Edition), 2009, no 2, pp. 1 — 4.
10. Jiang Fu-Xing, Yang Shu-Hua, Sheng Yun-Hai et aL. A study on microseismic monitoring of rock burst in coaL mine. Chinese JournaL of Geophysics, 2006, no 5, pp. 1511 — 1516.
11. Lan Tianwei, Zhang Hongwei, Han Jun et aL. Study on rock burst mechanism based on geo-stress and energy principLe.// JournaL of Mining & Safety enginiring, 2012, no 29(6), pp. 840 — 845.
12. Yu Lijiang, Batugina I.M., Batugin A.S. Identify patterns of deformation earth's surface in order to reduce the impact of mining operations on the environment at the coaL mineHuafeng. Science and Education: materiaLs of the VI internationaL research and practice conference, Munich, June 27th 28th, 2014. PubLishing office Vera VerLagWaLdkraiburg-munich-Germany, 2014. pp. 474—477.
13. SHemetov R.S. Interpretation of the resuLts of monitoring the deformation processes of compLex structuraL objects in the foothiLLs of the North Caucasus. Markshejderiya i nedropol'zovanie. 2015. no 1. pp. 54—58. [In Russ]
14. Morozov K.V., Ekgart V.I. First resuLts of operation of the automated system of underground deformation monitoring of the rock mass at the «GLubokiy» mine of JSC «ppgho». MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2015. no 7. pp. 516—523. [In Russ]
15. Bornyakov S.A., SaLko D.V. InstrumentaL system of deformation monitoring and its approbation in a kimberLite quarry. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh. 2016. no 2. pp. 172 — 178. [In Russ]
16. Leont'ev A.V., Lobanova T.V. DeformationaL monitoring of rock mass movements in iron ore deposits of Gornaya Shoria. Interekspo Geo-Sibir'. 2014. no 4. pp. 133 — 138. [In Russ]
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРE
Криницын Роман Владимирович — заведующий лабораториейгеодинамики и горного давления, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), 620075 г. Екатеринбург, ГСП-219, Мамина-Сибиряка 58, Roman_ krinicyn@maiL.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
R.V. Krinitsyn, Head of Laboratory geodynamics and rock pressure,
The Institute of Mining of the UraL branch of the Russian Academy of Sciences, 620075,
Ekaterinburg, Russia.
Получена редакцией 21.11.2019; получена после рецензии 06.03.2020; принята к печати 20.03.2020. Received by the editors 21.11.2019; received after the review 06.03.2020; accepted for printing 20.03.2020.
