CC BY
26
© А.А. Еременко, В.А. Еременко, В.Н. Колтышев, С.В. Фефелов, Д.Н. Зинченко, 2006
УДК 622.272:622.235
А.А. Еременко, В.А. Еременко, В.Н. Колтышев,
С.В. Фефелов, Д.Н. Зинченко
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ РАЗРЕЗНЫХ БЛОКОВ НА БОЛЬШОЙ ГЛУБИНЕ
Семинар № 17
~П Алтае-Саянской горной облас-
■м.3 ти расположено Абаканское железорудное месторождение. Рудное поле месторождения находится на юговосточном крыле крупной антиклинальной структуры в Западном Саяне [1]. Главное рудное тело, в котором сосредоточены основные запасы верхней части месторождения, имеет пластообразную форму, длина которой 1000 м, мощность от 15-20 до 100 м и более. Рудное тело IV на глубине не оконтурено. Компактное тело V прослежено по простиранию на 620 м при мощности 80-100 м. Запасы этих рудных тел, ниже горизонта (+145) м, утвержденные государственной комиссией по запасам (ГКЗ) в 1979 г., составляют 121,1 млн т.
До глубины 60-140 м месторождение отработано карьером, а ниже отработка ведется подземным способом. В настоящее время выемка запасов руды производится на глубине 450 м. В этих условиях отработку блоков на нижележащих горизонтах и в сближенных рудных телах ведут одновременно от центра к флангам [2].
На выбор параметров технологии отработки разрезных блоков существенное влияние оказывают высокие тектонические напряжения, действующие в породном массиве. Сложность конфигурации рудных тел и их пространственное
расположение часто приводит к нестандартным геомеханическим ситуациям, требующим специального изучения. Часто это происходит при очистных работах в разрезных блоках. В сложившихся условиях основанием для выбора технологических решений должны быть теоретические расчеты и экспериментальные исследования.
Предварительную информацию о геомеханическом состоянии массива горных пород можно получить из результатов математического моделирования. Данные об особенностях распределения напряжений в районе ведения очистных работ позволяют выделять области сжимающих и растягивающих напряжений и проводить оценку уровня действующих здесь усилий.
Абаканское месторождение относится к железорудным месторождениям, для которых характерно наличие высоких сжимающих напряжений, действующих в горизонтальной плоскости. Направление действия наибольшего из них — северо-западное, величина — 2,2 уН, (у — объемный вес налегающих пород, Н — расстояние до земной поверхности), наименьшего — северовосточное, его величина — 1,8 уН. Для горизонта +65 м, где расположены разрезные блоки, их значения, обозначае-
Рис. 1. Расположение IV и Vрудных тел на Абаканском месторождении. (+505)+(-800) м — горизонты в шахте
мые соответственно 02 и Оі, равны 02 = -75 МПа и Оі = -63 МПа [3].
Проведена оценка геомеханического состояния массива горных пород при массовых взрывах за период с 2000 по 1.10.2005 гг. За данный период было проведено 20 взрывов по Главному рудному телу (р.т.) и V р.т. в этажах
(+145Н+225) и (+225И+285) м (рис. 1).
Удельный расход ВВ на отбойку колебался от 0,323 до 0,584 кг/т. Энергетический класс взрывов составлял 6,38,7. Удароопасность массива после каждого взрыва оценивалась параметром К (отношение сейсмической энергии, накопленной в массиве горных пород, к потенциальной энергии, заключенной во взрыве заряда ВВ) [4].
Заключение о состоянии массива на Абаканском месторождении давалось в соответствии с установленным критерием удароопасности. Установлено, что
параметр К изменялся от 1,9-10-4 до 4,7-10-5, причем при отработке блоков в Главном рудном теле в этаже (+145)^(+225) м К колебался от 3,7-10-
4 до 4,7-10-4, что указывало на локальную концентрацию напряжений в массиве и частичную ее релаксацию в виде толчков и стреляния. В этаже
(+145Н+225) м V р.т. К
изменялся от
1,9-10-5 до 4,6-10-3, что соответствовало удароопасному состоянию массива горных пород и накоплению упругой энергии в массиве, а также ее реализации в виде микронарушений. Обрушение блоков в этаже (+225)^(+285) м Главного рудного тела также происходило в условиях локальной концентрации напряжений, которая могла вызвать толчки.
Оценка напряженного состояния массива горных пород производилась электрометрическим методом. Измерение электросопротивления рк по выработкам осуществлялось в штреках, ор-
рк I
5500 -5000 ■
4500 -4000 ■
3500 -3000 -2500 ■
2000 -1500 ■
1000 ■
500 -
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Ь, м
Рис. 2. Изменение электросопротивления в массиве горных пород на гор.: 1 — (+285) м, 2 — (+145) м; Ь — глубина зондирования
тах и квершлагах на гор. (+65)^(+145), (+225)^(-95) и -15 м. Так, на гор. (+65) м в орте наблюдалось снижение рк от 1600 до 1000 Омм, что характеризовало рост напряжений в массиве горных пород в районе блока № 8. На гор. (+145) м после взрывов происходила разгрузка массива, рк увеличилось от 10 до 5500 Ом-м (рис. 2). На гор. (+285) м в орте произошло падение рк от 3400 до 100 Ом-м, при этом наблюдалось зако-лообразование в выработке. На гор. (45) и (-15) м наблюдалась разгрузка массива горных пород (рк увеличилось от 1000 до 4000 Ом-м). В целом рассматриваемый период ха-рактеризуется ростом напряжений в массиве горных пород, что приводит к заколообразова-нию, стрелянию и толчкам.
Проведенная оценка геомеханиче-ского состояния горных пород при отработке Абаканского месторождения показала, что при ведении горных работ на нижележащих горизонтах руды и породы способны хрупко разрушаться под нагрузкой и накапливать значительную упругую энергию деформаций.
Так как преобладающими на месторождении являются горизонтальные сжимающие напряжения, то при образовании выработанных пространств максимальная концентрация напряжений будет наблюдаться в горизонтальной плоскости, в соответствии с этим оценку напряженного состояния массива при взрывании разрезных блоков следует проводить в его сечении горизонтальной плоскостью [5].
На месторождении в этаже (+65)^(+145) м предусмотрена отработка разрезных блоков №№ 11-12 (1 секция), затем блока № 7 в Главном и V р.т. Рудные тела сближены, и их выемка может привести к опасной концентрации напряжений в межрудном целике. Рудная залежь не выдержана по мощности и колеблется от 9 до 57 м. Руды высокой трещиноватости и средней устойчивости с коэффициентом крепости по М. М. Протодьяконову 12-14. Вмещающие породы и внутрирудные прослои представлены туфами, кварцами, кальцитами и др. с коэффициентом крепости 5-10.
Рис. 3. Схема расположения зарядов ВВ в блоках 11 и 12 (I секция) Главного рудного тела в этаже 65
145 м: 1 - пучки сближенных скважинных зарядов ВВ; 2 - горизонтальные параллельно-
сближенные скважинные заряды ВВ; 3 - орт; 4 - компенсационные камеры; 5 - выпускные воронки; 6 -обрушенные горные породы; 7 -вертикальные концентрированные заряды ВВ; 8 - геологические нарушения
В пределах блоков широко представлена дизъюнктивная тектоника. Наибольшее распространение получили тектонические зоны субширотного простирания с падением под углом 60-80°, мощностью до 3-7 м, выполненные хлоритом, эпидотом и др.
Блоки №№ 11-12 (I секция) расположены в центральной части Главного р. т.
ширина, длина и высота взрываемого массива горных пород равны соответственно: 53, 36 и 80 м (рис. 3).
Механические характеристики пород и руд при расчетах были взяты согласно имеющимся экспериментальным данным: модуль Юнга Е = 6000 и 7500 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,26 и 0,28, соответственно.
в)
Рис. 4. Характер распределения в массиве горных пород напряжений: а — а^ б — а2; в
— тмах после отбойки блоков №№ 11-12 (1 секция); -40^- -100, 10-30 МПа — величины напряжений; 1 — местоположение блоков №№ 11-12 (1 секция), 2 — Главное рудное тело; 3 — V рудное тело
На рис. 4 показана часть расчетной области вблизи района отработки. Контуры рудных тел выделены темным цветом. Направление границ всей расчетной области совпадает с направлениями действия главных напряжений, поэтому на горизонтальных границах области расчета заданы нормальные напряжения о = -75 МПа, на вертикальных — о = -63 МПа. Был проведен расчет двух горно-технических ситуаций на гор. +65 м: взорваны первая секция блоков № 11-12 в Главном р. т. и первая секция блоков № 11-12 в Главном р. т. и блок № 7 в V р. т.
На рис. 4 приведены результаты расчетов напряжений в массиве горных пород после взрыва первой секции блоков № 11-12: а — сть б —СТ2; в — ттах, где Сті, ст2 — первое и второе главные на-
пряжения, ттах — максимальное касательное напряжение. По распределению Ст1 можно установить области действия растягивающих напряжений, ст2 — зоны концентрации сжимающих напряжений, ттах — области разрушения за счет касательных усилий. Данные, приведенные на рис. 4, получены в предположении, что модуль Юнга обрушенных пород на порядок меньше аналогичного для вмещающего массива. Это предположение в наибольшей степени отвечает реальному модулю деформирования обрушенных пород.
Анализ распределения напряжений позволил сделать следующие выводы: областей действия растягивающих напряжений в окружающем массиве нет; наиболее опасная концентрация сжимающих (а2 > 100 МПа) и касательных
Рис. 5. Характер распределения в массиве горных пород напряжений: а — а^ б — а2;
в — тмах после отбойки блоков №№ 11-12 (1 секция) и блока № 7; 1 — блоки №№ 11-12 (1 секция), 2 — блок № 7; -40^- -60 МПа — величины напряжений
напряжений создается в районах сопряжения границ взорванного блока; зоны кон-центрации сжимающих и касательных напряжений расположены в окрестности всех границ взорванного блока на расстояниях 10-30 м.
На рис. 5, а-в, соответственно, показаны главные напряжения Сті, ст2 и ттах для ситуации, когда обрушены два разрезных блока № 11-12 (1 секция) и № 7. Анализ распределения полей напряжений в этом случае приводит к следующим выводам: областей действия растягивающих напряжений в районе отработки не имеется; зоны концентрации сжимающих и касательных напряжений образуются в окрестности всех границ взорванных блоков; наи-
более опасные концентрации сжимающих (а2 > 100 МПа) и касательных напряжений создаются в районах сопряжения границ блоков № 11-12 и в районе границ блока № 7, параллельных направлению действия максимального исходного горизонтального напряжения ст2; взаимовлияния зон концентрации напряжений от взрыва каждого из блоков не происходит.
На рис. 6 показаны максимально возможные значения напряжений, которые могут появиться в массиве после выпуска руды из обрушенных блоков. При проведении соответствующего расчета предполагалось, что границы блоков полностью свободны от давления обрушенных пород. В этом случае три
а)
ранее указанных вывода остаются неизменными, а четвертый вывод формулируется так: при полном освобождении границ блоков от давления обрушенных пород в породном целике происходит объединение зон концентрации напряжений. Проведенные расчеты показали, что разрезка рудных тел на горизонте (+65) м приводит к образованию зон концентрации сжимающих и касательных напряжений в окрестности всех границ взорванных блоков.
Разрезные блоки отрабатывались системой этажного принудительного обрушения с отбойкой руды пучковыми сближенными скважинными зарядами ВВ и вертикальным концентрированным зарядом (ВКЗ) ВВ на компенсационное пространство (рис. 3). В период ведения нарезных и буровых ра-
б)
Рис. 6. Максимально возможные значения напряжений в массиве горных пород после отбойки и выпуска руды из блоков №№ 11-12 (1 секция) и № 7: а, б, в — соответственно распределение напряжений
01, а2 и тмах; -20^ -120 и 10-40 МПа — величины напряжений
бот наблюдалось обрушение бортов компенсационных камер. Линия наименьшего сопротивления колебалась от
5 до 8,5 м. Масса пучковых зарядов ВВ (граммонит М-21) равна 57,9 т, — ВКЗ
— 16,8 т. Удельный расход ВВ на отбойку — 0,359 кг/т.
Сейсмостанция «Таштагол» зарегистрировала массовый взрыв с сейсмической энергией 3,1-109 Дж (энергетический класс 9,2). При этом параметр К составил 10-3, что характеризовало состояние массива горных пород в момент взрыва как удароопасное. Толчок ощущался на земной поверхности. В шахте отмечены частичные нарушения в выработках. При взрыве произошли подвижки в зонах геологических нарушений во
вмещающем массиве горных пород месторождения.
В заключение необходимо отметить, что создание эффективной технологии отработки разрезных блоков требует полу-
1. Железорудная база России / Под ред. В.П. Орлова, М.И. Веригина, Н.И. Головкина.
— М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998, 842 с.
2. Указания по безопасному ведению горных работ на Абаканском месторождении, склонном к горным ударам. ВостНИГРИ. — Новокузнецк, 1986, 62 с.
3. Курленя М.В., Еременко А.А., Шрепп Б.В. Геомеханические проблемы разработки желе-
чения надежной и своевременной информации о геомеханическом состоянии массива горных пород, изменениях, происходящих в нем под воздействием горного производства.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
зорудных месторождений Сибири. — Новосибирск, Наука, 2001, 184 с.
4. Еременко А.А., Гайдин А.П., Еременко В. А. Отработка технологических блоков при массовом обрушении руд. — Новосибирск: Наука, 2002, 112 с.
5. Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. — Новосибирск: Наука, 2005, 264 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Еременко Андрей Андреевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией ИГД СО РАН
Еременко Виталий Андреевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГД СО РАН;
Колтышев Виталий Николаевич - аспирант ИГД СО РАН;
Фефелов Сергей Владимирович - кандидат технических наук, главный инженер Абаканского филиала ОАО «Евразруда»;
Зинченко Дмитрий Николаевич - начальник участка ППГУ Абаканского филиала ОАО «Евразруда».
Ф
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ ДИССЕРТАЦИИ
Автор Название работы1 Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
НИКИТИН Владимир Николаевич Совершенствование методики экологоэкономического анализа природоохранной деятельности предприятия 08.00.05 к. э. н.
