CC BY
14
УДК 539.3.01+622.1
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-279-284
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ЦЕЛИКА ПРИ ЕГО ПОДРАБОТКЕ
Василий Дмитриевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, зав. лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 116, e-mail: [email protected]
Дмитрий Васильевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)291-90-89, e-mail: [email protected]
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, е-mail: [email protected]
С использованием численных методов установлены особенности и прогнозная оценка формирования напряженно-деформированного состояния предохранительного целика при подземной разработке запасов рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА»под метегеро-ичерским водоносным комплексом. Для контроля и прогноза состояния предохранительного целика предложена комплексная система наблюдений за сдвижением вмещающих пород и закладочного массива, формируемого при слоевой нисходящей системе разработки запасов ниже его границы, позволившая уточнить показатели процесса сдвижений породного и закладочного массивов по мере развития горных работ и дать оценку критических параметров деформирования массива. По данным экспериментальных наблюдений и численных расчетов выполнена корректировка численной геомеханической модели массива.
Ключевые слова: водоносный комплекс, предохранительный целик, напряженно-деформированное состояние, осадка, инклинометр.
GEOMECHANICAL ASSESSMENT AND CONTROL OF A SAFETY PILLAR STATE DURING PROCESSING
Vasily D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Head of Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 116, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia,
Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (383)291-90-89, e-mail: [email protected]
Lidiya N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Senior Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, е-mail: [email protected]
With the help of numerical methods the work provides predictive assessment of the stressstrain state of a safety pillar during underground development of ore deposits "Intemacionalny" AK "ALROSA" under a water-bearing complex. In order to predict and control the safety pillar state there is a proposed comprehensive system of observations of the enclosing rock and filling mass movements. The filling mass is formed if a layered descending system of deposits development is lower than the safety pillar's boundary. The system of observations provides the opportunity to specify the indices of rock and filling mass displacements in the course of mining and to estimate the critical parameters of the mass deformation. According to the experimental data and calculations the numerical geomechanical mass model has been corrected.
Key words: aquifer system, safety pillar, stress-strain state, subsidence, directional survey
tool.
Потеря устойчивости наиболее ответственных конструктивных элементов систем разработки, таких как подкарьерные потолочины, предохранительные и охранные целики, может привести к крупным авариям, социальным и экономическим потерям. В этой связи геомеханический контроль состояния элементов горных конструкций, особенно под водоносными объектами, имеет особое значение.
Отработка подкарьерных запасов рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА» для защиты подземных горных выработок от прорыва воды из не-сдренированного метегеро-ичерского водоносного комплекса (МИВК) предусмотрена под защитой рудного предохранительного целика (рис.1). По уточненным данным почва водоносного комплекса расположена на отм. -97 м. Граница безопасного ведения очистных работ установлена по расчетам НТЦ «НОВОТЭК» (г. Белгород) на отм. -150 м.
На рис. 1 представлена схема вертикального сечение рудного тела трубки «Интернациональная». После последовательной отработки блоков 6 и 5 с применением слоевой системы разработки и твердеющей закладкой на руднике планируется выемка запасов ниже отм. -150 м. Отработка разрезного слоя 9 блока 4 начата в 2013 г. Запасы в нижней части блока 4 (слои 8^1) отрабатываются до кровли блока 5 с применением слоевой нисходящей системы разработки с закладкой по камерно-целиковой схеме. Ширине очистных заходок 5 м; высота в разрезном слое -4 м, а в нижележащих слоях - 5 м.
Контроль состояния подрабатываемого рудного целика осуществляется согласно проекту геомеханического мони-
Контур отработанного карьера
."Водоносный"
чЦелик
. комплекс.
-159 м -195 м
Рис. 1
+400 м
+70 м
-97 м
Слой 9
nfTtfi Блок 4
Блок 5
290 м
Блок 6
-380 м
торинга, являющегося составной частью гидромеханического мониторинга (ГГМ) [1]. Создание системы геомеханического мониторинга основывается на прогнозных оценках напряженно-деформированного состояния (НДС) подрабатываемого массива в процессе развития очистных работ, полученных с использованием результатов численного моделирования изменений НДС в зоне влияния горных работ [2].
Расчеты выполнялись на основе решения плоской задачи теории упругости методом граничных интегральных уравнений с учетом влияния на НДС отработанного и заложенного нижележащего блока 5. Параметры естественного поля напряжений приняты следующие: а 0 = -уН, ах0 = а 0 = -ХуН, где а^0 - вертикальная, а а 0 - горизонтальные компоненты напряжений, у - объемный вес
х у
пород, Н - глубина разработки, X - коэффициент бокового распора; из-за преобладания галита в составе вмещающих пород принято Х=1,0. Модуль упругости пород Е = 10 ГПа, коэффициент Пуассона V = 0,25. В нетронутом массиве на отметках нижней части блока 4 а 0 = а 0 = а °= -14 МПа. Предельная вели-
у
чина сдвигающих напряжений рудного массива асд
а1 - а3 а1 + а3 1 3 ь —-ф (где
2соб ф 2
ф - угол внутреннего трения, а > а2 > а3), превышение которой приводит к неупругому деформированию пород, ранее установлена для условий блок № 6 рудника «Интернациональный» и принята аксд =4 МПа [3].
В качестве иллюстрации результатов расчета НДС на рис. 2 приведены смещения массива (мм) под МИВК в горизонтальном (рис. 2, а) и вертикальном (рис. 2, Ь) направлениях при отработанных блоках 5 и 6 и выемке разрезного слоя 9 блока 4.
Рис. 3 отражает оседание кровли слоя 9 при отработке запасов блока 4. На рис. 4 представлены границы зон неупругих деформаций в толще пород на различных этапах ведения очистных работ ниже подошвы МИВК: после отработки блока 5 (рис. 4, а), разрезного слоя 9 (рис. 4, Ь) и отработки в нисходящем порядке слоев 9-5 (рис. 4, с) блока 4.
Рис. 2 281
На удалении 40 ^ 60 м от оси трубки ожидаемые горизонтальные смещения пород в кровле слоя 9 составляют 10 ^ 20 мм (рис. 2, а). Максимальное упругое оседание кровли слоя 9 при его выемке произойдет в центральной части трубки и составит 66 мм, а после отработки нижней части блока 4 до кровли блока 5 - 75 мм (рис. 3). Прогнозируемая верхняя граница зоны неупругих деформаций по критерию Кулона - Мора достигает отметки -125 м, что на 28 м ниже отметки подошвы МИВК (см. рис. 4).
Полученные результаты ожидаемых смещений послужили основой при выборе методов и средств измерений, конструкций наблюдательных станций и схем их расположения в доступных для этих целей горных выработках. Схемы расположения станций на гор. -145 м представлены на рис. 5, а; гор. -159 м - на рис. 5зЬ. Схема станций в закладочном орте на гор. -159 м - на рис. 6.
а) Ь) с)
Рис. 4
При создании системы геомеханического мониторинга предусмотрено использование комплекса инструментальных и визуальных методов [1, 4]. Инструментальные наблюдения осуществляются по схеме типовых станций: контурных и глубинных реперов (СКР и СГР), инклинометрических наблюдений (СИН) в обсаженных субгоризонтальных скважинах [5] для контроля сдвижений рудного целика и закладочного массива разрезного слоя 9, являющегося его основанием (упором).
Инструментальные определения смещений массива дополняются визуальными наблюдениями с помощью скважинного эндоскопа за состоянием контуров скважин (шпуров), пробуренных параллельно измерительным скважинам. Полученная информация на комплексной станции наиболее полно характеризует процесс деформирования контролируемого участка массива: с помощью инструментальных наблюдений оцениваются поинтервальные смещения и де-
Рис. 3
формации пород вдоль оси скважины, а с помощью визуальных устанавливается глубина участка возможного раскрытия трещин, их ориентация и характер образования (раскрытие по имеющемуся нарушению или техногенная трещина). Таким образом, численные характеристики процесса деформирования дополняются видимыми признаками разрушений.
Рис. 6
Предложенная и реализованная на руднике система геомеханического мониторинга позволяет решать основные задачи контроля и прогнозирования состояния предохранительного целика под МИВК:
- уточнение показателей деформационных и прочностных свойств горных пород на основе определения рейтинга массива при анализе керна наблюдательных скважин и его лабораторных испытаний;
- определение показателей процесса сдвижений породного и закладочного массивов по мере развития горных работ;
- оценка критических параметров деформирования массива по данным инструментальных и визуальных наблюдений;
- корректировка расчетной геомеханической модели по данным экспериментальных наблюдений и прогноз на ее основе границ зон неупругих деформаций в предохранительном целике.
Работа выполнена в рамках научного проекта ФНИ № гос. регистрации ААА-А17-117121140065-7 и при финансовой поддержке АК «АЛРОСА».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барышников В. Д., Барышников Д. В. Геомеханический контроль предохранительного целика под водоносным горизонтом // Proceedings of the V-th International Geomechanics Conference 18-21 June 2012, - Publ.: International House of Scientists «FrJ.Curie», Varna, Bulgaria. - Р. 329-334.
2. Барышников В. Д., Гахова Л. Н. Прогнозная оценка напряженно-деформированного состояния предохранительного целика под водоносным горизонтом // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). -Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 42-47.
3. Курленя М. В., Барышников В. Д., Гахова Л. Н. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок // ФТПРПИ. - 2012. - № 4.
4. Барышников Д. В. Определение сдвижений закладочного массива разрезного слоя после его подработки // // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 247-251.
5. Барышников В. Д., Качальский В. Г., Барышников Д. В. Определение сдвижений закладочного массива разрезного слоя после его подработки / Proceedings of the IV-th International Geomechanics Conference 3-6 june 2010, - Publ: International House of Scientists «FrJ.Curie», Varna, Bulgaria. - Р. 127-135.
REFERENCES
1. Baryshnikov V.D. and Baryshnikov D.V., Geomechanical control of a protective pillar under the water-bearing strata, Proc. 5th Int. Geomechanics Conf., Varna, Bulgaria, 2012, pp. 329-334.
2. Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Predictive estimate of stress-strain state of safety pillar under aquifer, Proc. X Int. Conf. GEO-Sibir-2014, Novosibirsk: SGGA, 2014, pp. 42-47. (in Russian).
3. Kurlenya M.V., Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Experimental and analytical method for assessing stability of slopes, Journal of Mining Science, 2012, Vol. 48, No. 4, pp. 609-615.
4. Baryshnikov D.V. Determination of displacement of undermined backfilled stope on access cut level, Proc. X Int. Conf. GEO-Sibir-2014, Novosibirsk: SGGA, 2014, pp. 247-251. (in Russian).
5. Baryshnikov V.D., Kachalsky V.G., Baryshnikov D.V. Determination of displacements in backfill of initial cut layer after its undermining, Proc. 4th Int. Geomechanics Conf., Varna, Bulgaria, 2010, pp. 127-135.
© В. Д. Барышников, Д. В. Барышников, Л. Н. Гахова, 2018
