CC BY
43
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.28, 622.831
А.А. Неверов, С.А. Неверов, А.М. Никольский, Ж.К. Алимсеитова
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫЕМКИ С ЗАКЛАДКОЙ И ОБРУШЕНИЕМ К ТЕХНОЛОГИИ ЭТАЖНОГО ОБРУШЕНИЯ
Сокращение добычи богатых высокоценных руд и вовлечение в отработку залежей минерального сырья средней и ниже средней ценности на сегодняшний день приобретают все большую актуальность. Особенно остро эта проблема начинает проявляться на рудниках Норильской группы полиметаллических месторождений [1, 2].
В настоящее время широко применяемые технологии с закладкой, с одной стороны, создают эффективные условия управления напряженно -деформированным состоянием массива пород, с другой - неспособны обеспечить разработку залежей руд средней ценности на конкурентоспособном уровне. Несомненно, в этих случаях распространения будут получать более дешевые системы с обрушением [1, 2]. При этом огромный научный интерес представляют вопросы плавного перехода от одной технологии к другой.
В настоящей статье предлагается в условиях
применения комбинированной системы разработки с твердеющей закладкой и обрушением рассмотреть влияние зоны принудительного обрушения налегающей толщи над закладочными массивами на область стыковки технологии с системой этажного обрушения в зависимости от тектоноти-па массива горных пород [3]. В связи с этим была решена упругая трехмерная задача о напряженно-деформированном состоянии (НДС) массива горных пород с оценкой их устойчивости в области перехода комбинированной технологии в этажную выемку с обрушением (рис. 1) [4].
Краевые условия задачи были приняты в соответствии с моделями геосреды, приведенными в табл. 1 [5-8]. Обоснование горнотехнической ситуации осуществлялось применительно к глубоко-залегающей (1000 м) пологой рудной залежи мощностью 20 м. Анализировались два варианта перехода комбинированной технологии в систему
Геомеханическая модель Связь напряженного состояния с глуби* ной Тип тектонической структуры
Геодинамическая 300 < H < 1300; 2.0 < X < 5.0 max ; (aH max ) • ah min _ 2 « ; av «yti «а Устойчивые фундаменты и стабильные щиты платформ. Мобильные сейсмоактивные складчатые системы. Сложный тектонический режим.
Тектоническая 300 < H < 2000; 1.2 < X < 2.0 анmax = 2,8eKXyH07 «а, или °Hmax ^^ + ; ^min = (0,6- 0,85) анmax « ^ ; av «^i «а Мобильные сейсмоактивные складчатые системы, геосинклинальные складчатые и подвижные пояса, тектонические шарьяжи. Невыдержанный тектонический режим.
Геостатическая 300 < H < 5000; 0.8 < X < 1.2 aHmax = ^7H «а1 «а2 ; а. . = (0,8-1,0)ст„ «а; h min V ' ' ' H max 3 ' av «fti «а, «а2; а ~а2 ~ст3 Н Молодые подвижные платформы, грабены, шарьяжи. нетектонический и сбросовый режимы.
Гравитационная V 300 < H < 5000; Л = — 1-v aHmax «Ä1H «а2 ; ah min « ^ «a3 ; av « H « а1 Платформенные осадочные чехлы, подвижные щиты и платформы, рифты, Каледониды в виде шарьяжей.
ления, (распора); V - коэффициент Пуассона; к - эмпирический коэффициент, учитывающий деформационно-прочностные свойства пород. Для прочных пород к = 0,17-0,30, для пород средней прочности и ниже к = 0,10-0,17; а, д, у и в - эмпирические коэффициенты пропорциональности, а ~ 32-37, д ~ 65-80, у ~ 0,8-0,9, в ~ 5-10.
Таблица 1. Соответствие геомеханических моделей геосреды типу тектонических структур
(X а-а г-г
Рис. 1. Горнотехническая ситуация при переходе комбинированной технологии выемки с закладкой и обрушением на отработку системой с обрушением
с обрушением: 1-вариант - классический (без обрушения пород над заложенными камерами); II-вариант - с принудительным погашением налегающих пород над закладкой на расстоянии 100 м до линии перехода.
Область расчета включала 5 последовательно вынимаемых панелей с общей длиной фронта отработки по простиранию 300 м и пролетом выработанного пространства 200 м (рис. 2). Руда, вмещающие породы и закладка при моделировании принимались с физико-механическими свойствами, характерными для вкрапленных полиметалли-
ческих рудных залежей месторождений Норильского региона.
Сравнительная оценка геомеханических полей напряжений и устойчивости пород в сложившейся горнотехнической ситуации в районе перехода геотехнологий в зависимости от вида исходной модели геосреды приведена в табличной форме. В табл. 2-4 приведены качественные картины распределения напряжений и возможные зоны запредельного деформирования пород (по критерию Кулона-Мора) по характерным сечениям. В табл. 5 - количественные данные абсолютных величин
Рис. 2. Горнотехническая ситуация при переходе комбинированной технологии с предварительно погашенной кровлей над заложенными камерами на отработку системой этажного обрушения
Таблица 2. Характер распределения напряжений и устойчивость пород в поперечном разрезе над зоной
обрушения в 50 м от линии перехода
№ Геодинамический (I) Тектонический (II) Геостатический (III) Гравитационный (IV)
Максимальные главные напряжения о\
тн а и
иар
в
и
иар
в
-
МП а
Минимальные главные напряжения а3
Зоны запредельного деформирования пород
действующих напряжений в массиве пород.
Анализ результатов исследований НДС массива пород и их устойчивости в разрезе над зоной обрушения в 50 м от линии перехода показал:
- максимальные сжимающие напряжения о\ наблюдаются в кровле над зоной обрушения налегающих пород при геодинамическом и тектоническом типах геосреды (соответственно о\ составляет 60 и 40 МПа). При этом в 1-варианте их концентрация выше на 15-20 %;
- закладочные массивы при наличии зоны обрушения над ними испытывают минимальные нагрузки;
- в почве над заложенными камерами и погашенными целиками породы горнотехнической конструкции, предусматривающей посадку кровли
над закладочными массивами испытывают напряжения о\ в 1,1-1,15 раза выше, чем в 1-варианте;
- потеря устойчивости пород отмечается в кровле и почве зоны обрушения в условиях гравитационной модели геосреды - 11-вариант, а также в налегающей толще над погашенными целиками в массивах с геодинамическим распределением исходных напряжений - 1-вариант.
Напряженно-деформированная ситуация в сечении по линии перехода комбинированной технологии в систему с обрушением свидетельствует о следующем:
- в условиях отсутствия зоны обрушения над закладочными массивами при всех видах геомеханических моделей на участках в районе центральной части камеры с твердеющей закладкой и
Таблица 3. Зоны запредельного деформирования пород в продольном разрезе по центру камеры с закладкой
рудного целика, а также их кровли наблюдается рост максимального главного напряжения а1 (от 1,1 до 2,0 раза);
- кровля и борта буро-доставочных ортов в варианте с принудительным погашением налегающих пород над закладкой испытывают повышенные максимальные касательные напряжения ^шах, превышающие в 1,1-1,5 раза, чем в случае без обрушения пород над заложенными камерами;
- применительно к обоим вариантам горнотехнической ситуации перехода одной технологии в другую обширные зоны запредельного деформирования горных пород в кровле и бортах выработок формируются в условиях геодинамической и гравитационной моделях геосреды;
- наличие области разрушения пород в районе кровли над закладочными массивами и рудным целиком во П-варианте при гравитационном характере распределения исходных напряжений в недрах позволяет обеспечить плавное сдвижение налегающей толщи с развитием опасных деформаций вглубь массива и возможный выход их на дневную поверхность.
Влияние рассматриваемой горнотехнической ситуации на НДС призабойной области этажной выемки в центральном продольном сечении камеры с закладкой и целика с обрушением показало:
- вблизи закладочных массивов в приза-бойной зоне по рудной залежи в !-варианте неза-
висимо от геомеханической модели геосреды главная компонента а1 на 10-15 % больше, чем при наличии зоны обрушения над закладкой. Аналогичная картина наблюдается в районе целика по рудной залежи;
- наличие в кровле и почве выработанного пространства значительных по величине растягивающих усилий а3 во П-варианте в условиях гравитационного распределения исходного поля напряжений способствует развитию областей запредельного деформирования пород;
- в ^варианте при геодинамическом типе изменения напряжений в массиве за счет трехкратного превышения горизонтальной максимальной природной компоненты минимальной в кровле над зоной обрушения отмечается потеря устойчивости пород;
- для обоих вариантов стыковки геотехнологий устойчивость пород наблюдается в тектонической и геостатической моделях.
Таким образом, проведенный сравнительный анализ НДС массива пород и устойчивости конструктивных элементов горнотехнической обстановки перехода комбинированной геотехнологии в систему этажного обрушения в различных типах геомеханических условий разработки на глубине 1000 м и мощности рудной залежи 20 м позволил установить:
- наличие участка обрушенных налегаю-
Таблица 4. Зоны запредельного деформирования пород в продольном разрезе по центру целика
с обрушением
Таблица 5. Напряженно-деформированное состояние горнотехнической ситуации
Наименование анализируемого участка Напряжения, МПа (I, II, III и IV - тип геомеханической модели)
О1 О3 Т 1шах
I II III IV I II III IV I II III IV
в разрезе над зоной обрушения в 50 м от линии перехода
в центре камеры с 8,5 13 14 15 4 5 6 7 2,25 4 4 4
твердеющей закладкой 4 3 3 1 0 0 0 0 2 1,5 1,5 0,5
в кровле над заложен- 18 15 14 14 7 55 4 2 55 4,75 5 6
ной камерой
в кровле над зоной обрушения целика 62 53 41 34 18 15 05 0,5 0 0 1 0 -1 0 -6,5 -9 31 26,5 20 17 9,5 7,5 3,5 4,75
в почве над заложенной камерой 40 45 20 25 16 10 13 0,5 11 0 10 0 10 0 0 -5 14,5 22,5 5 12,5 3 5 65 2,75
в почве над зоной об- 50 32 14 0,5 0 1 0 -8,5 25 15,5 7 4,5
рушения целика 55 35 14 0,5 0 0 0 -9,2 27,5 17,5 7 4,85
в разрезе по линии перехода
в районе центра каме- 40 31 30 38 10 8 7 4 15 11,5 11,5 17
ры с твердеющей закладкой 35 28 21 35 5 3 3 2 15 12,5 9 16,5
в районе центра рудного целика 60 54 46 43 40 38 60 56 1 0 0 0 0 0 0 0 29,5 27 23 21,5 20 19 30 28
в районе кровли над заложенной камерой 82 40 80 40 70 40 60 56 27 0 25 3 25 1 15 5 27,5 20 27,5 18,5 22,5 19,5 22,5 25,5
в районе кровли над рудным целиком 60 50 46 43 43 41 54 52 2 0 0 0 0 0 0 0 29 25 23 21,5 21,5 20,5 27 26
в районе кровли над зоной обрушения целика 130 135 125 135 120 135 100 120 38 35 34 35 36 35 24 20 46 50 45,5 50 42 50 38 50
в кровле буро- 80 76 30 54 5 3 5 20 37,5 36,5 12,5 17
доставочного орта (в границах руд. целика) 84 82 40 56 2 2 0 0 41 40 20 28
в бортах буро- 120 115 115 130 10 10 12 22 55 52,5 51,5 54
доставочного орта (в границах руд. целика) 130 125 125 130 18 15 15 15 56 55 55 57,5
в разрезе по центру камеры с закладкой
в кровле над заложен- 26 24 22 15 8 8 5 2 9 8 85 65
ной камерой
в кровле над зоной обрушения 57 37 23 0,5 0 0 0 -5 28,5 18, 5 11,5 2,75
в призабойной области по рудной залежи 66 61 62 53 60 50 70 60 12 5 14 5 14 5 11 4 27 28 24 24 23 22,5 29,5 28
в разрезе по центру целика с обрушением
в кровле над зоной обрушения 63 55 42 36 22 20 0,5 0,5 0 0 0 0 0 0 -4 -6 31,5 27,5 21 18 11 10 2,25 3,25
в призабойной области по рудной залежи 63 57 50 48 44 44 54 56 0 0 2 2 2 2 2 0 31,5 28,5 24 23 21 21 26 28
в призабойной области обрушения налегающих пород 63 57 52 50 50 52 58 61 0 0 2 2 2 2 2 0 31,5 28,5 25 24 24 25 28 30,5
в призабойной зоне в 10 м от линии перехода
в районе центра каме- 65 54 52 54 24 18 22 14 20,5 18 15 20
ры с твердеющей закладкой 63 52 50 56 12 10 10 10 25,5 21 20 23
в районе центра рудного целика 61 59 50 48 48 46 52 54 6 10 6 6 6 6 5 7 27,5 24,5 22 21 21 20 23,5 23,5
Примечание: в числителе 1-вариант, в знаменателе - 11-вариант
щих пород над заложенными панелями приводит к разгрузке горной конструкции в призабойной зоне от действия максимальных сжимающих напряжений;
- в кровле и почве области отработки в условиях гравитационной модели геосреды формируются зоны с повышенными растягивающими
напряжениями а3 = -10 МПа, что способствует развитию и выходу обрушения на дневную поверхность и как следствие к снижению горного давления на флангах участка выемки;
- наибольшая устойчивость горных пород в элементах рассматриваемой горнотехнической ситуации отмечается при тектоническом и геоста-
тическом типе геомеханических условий разработки;
- в геодинамической и гравитационной моделях геосреды за счет высоких по величине соответственно горизонтальной и вертикальной составляющей в краевой части массива и кровле залежи формируются зоны обрушения пород;
- сформированная сплошная (единая) зона обрушенных пород по фронтам очистных работ (по целику и камере), к моменту перехода на систему этажного обрушения, благоприятно сказы-
вается на устойчивости пород в призабойном массиве;
- вариант, предусматривающий посадку налегающих пород над заложенными камерами, является предпочтительнее, чем классический в виду большей устойчивости пород в области линии перехода одной технологии в другую и возможности активизации процессов выхода опасных деформаций (обрушения) на дневную поверхность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фрейдин А. М., Неверов А. А., Неверов С. А., Филиппов П. А. Современные способы разработки рудных залежей с обрушением на больших глубинах. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008.
2. Неверов А.А. К вопросу об отработке пологих мощных рудных залежей с закладкой и обрушением / А.А. Неверов, С.Ю. Васичев, А.М. Фрейдин / Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученных «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», 9-12 октября 2012 г. в II т. Т. I. - Новосибирск: ИГД им. Н.А. Чинакала СО РАН. 2012.- С. 130-135.
3. Патент РФ № 1606667. Способ управления давлением / Фрейдин А.М., Какойло В.Н., Шалау-ров В.А., и др. - опубл. в БИ, 1990, № 42.
4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975.
5. Неверов С.А. Типизация рудных месторождений с ростом глубины по виду напряженного состояния. Часть II. Тектонотипы рудных месторождений и модели геосреды / С.А. Неверов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - № 3. - С. 25-35.
6. Неверов А.А. Геомеханическое обоснование нового варианта камерной выемки пологих мощных залежей с выпуском руды из подконсольного пространства // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - № 6. - С. 87-97.
7. Неверов А.А. Геомеханическая оценка комбинированной геотехнологии при отработке мощной пологой рудной залежи / А.А. Неверов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2014. - № 1. - С. 119-131.
8. Фрейдин А.М. Идентификация тектонотипов массивов горных пород и ее приложение / А.М. Фрейдин, С.А. Неверов, А.А. Неверов // Горный журнал Казахстана. - 2013. - № 5. - С. 20-28.
Авторы статьи
Неверов Александр Алексеевич,
к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений ИГД СО РАН, e-mail: [email protected] Неверов Сергей Алексеевич,
к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений ИГД СО РАН, e-mail: [email protected] Никольский Александр Михайлович,
к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории подземной разработки угольных месторождений ИГД СО РАН, e-mail: [email protected] Алимсеитова Жанар Кенесхановна,
к.т.н., старший преподаватель кафедры географии, землеустройства и кадастра, факультета географии и природопользования Казахского Национального Университета им. аль-Фараби, 050038 Казахстан, г. Алматы, пр. аль-Фараби, д. 71, тел.8(727) 3773335, вн. 1488, e-mail: [email protected]
Поступило в редакцию 14.02.2015
