CC BY
40
© О.В. Овчаренко, 2003
УДК 622.272 О.В. Овчаренко
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОТРАБАТЫВАЕМОГО МАССИВА ПРИ ПЕРЕХОДЕ С ОТКРЫТОГО НА ПОДЗЕМНЫЙ СПОСОБ ДОБЫЧИ КИМБЕРЛИТОВ
ри выборе систем разработки и технологии выемки полезного ископаемого основными требованиями являются, во-первых, обеспечение устойчивости горных конструкций и безопасности ведения горных работ на всех этапах выемки, и, во-вторых, достижение высоких экономических показателей разработки, включая полноту и качество извлечения полезного ископаемого из недр.
Поиск технических решений, удовлетворяющих этим требованиям, особенно усложняется при переходе с открытого на подземный способ добычи полезного ископаемого.
В таких случаях прогнозная оценка напряженно-деформированного состояния отрабатываемого массива очень важна как для принципиального выбора системы разработки, так и для обоснования рациональных параметров выемки.
Одним из месторождений, где при достижении карьером предельной отметки, осуществляется переход к подземному способу выемки, является кимберлитовая трубка “Айхал”, которая относится к северной группе алмазных месторождений Якутии (Далдыно-Алакитский район) [1, 2].
Кимберлитовая трубка “Айхал” представляет собой крутопадающее, вытянутое по простиранию на северо-восток, дайкообразное рудное тело, сложной конфигурации в плане и разрезе (сплюснуто-трубчатое). На поверхности (абсолютная отметка +500 м) размер по длинной оси трубки составляет 510 м, по короткой - от 50 до 120 м, в среднем 82,5 м.
На отметке +374 м трубка разветвляется на два рудных тела: юго-западное (170-215 м по простиранию, 20-35 м вкрест простирания) и северо-восточное (320-380 м по простиранию и 40-50 м вкрест простирания), разделенных массивом карбонатных пород, мощность которого возрастает с глубиной от 22 м до 105 м. До нулевой абсолютной отметки этот массив представлен дезинтегрированными породами, а ниже - породами, залегающими горизонтально. Северо-восточное рудное тело на глубине около 620 м (абс.отм. -120 м) разделяется на западный и восточный рудные столбы. Рудные тела с глубиной уплощаются и сравнительно уменьшаются по площади.
Трубка приурочена к рудовмещающей тектонической зоне, оперяющей субмеридиональный глубинный разлом. Во вмещающих породах наблюдаются характерные зоны
интенсивной трещиноватости (обычно в 4-5 м от контакта с рудным телом) и брекчирования. Кимберлиты северо-восточного рудного тела однородны по составу, представлены, в основном кимберлитовыми брекчиями, реже (вблизи контактов) - порфировыми кимберлитами, которые по алмазоносности и физикомеханическим свойствам незначительно отличаются друг от друга. Руды интенсивно серпентинизированы и карбонатизированы. Кимберлиты средней прочности (предел прочности на сжатие 30-40 МПа), средней степени трещиноватости, кроме сильно трещиноватых участков шириной 3-5 м на контакте с вмещающими породами.
Вмещающие породы - карбонатные и глинистокарбонатные огипсованные отложения нижнего палеозоя, залегающие практически горизонтально, не осложненные пликативными нарушениями.
Отработка карьера открытым способом завершена на глубине 320 м. Отметки дна карьера составили на югозападном участке +235 м и +205 м на северо-восточном. Между отметками (+205/+235 м) осталась часть балансовых запасов северо-восточного рудного тела.
Проектом предусматривается отработка подкарьер-ных запасов северо-восточного рудного тела подземным
Рис. 1. Объемная модель трубки "Айхал" (а), объемная и конечноэлементная модели участка месторождения в пределах гор.(+50 /+260м) (б, в)
| | кимберлиты; | | вмещающие породы;
I | дезинтегрированные карбонатные породы
П
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РУД И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД
способом до отметки +150 м с извлечением запасов, оставленных в борту карьера.
Первоочередная отработка подкарьерных запасов месторождения будет осуществляться между отметками (+150/+330м), где вмещающие породы представлены доломитами и глинистыми известняками с прослоями из-вестковистых алевролитов, песчаников, плоскогалечных конгломератов и мергелей. Прочность вмещающих пород
- 30-40 МПа, доломитов - 24-61 МПа.
По сравнению с другими коренными месторождениями Якутии, гидрогеологические условия месторождения “Айхал” более просты, поскольку межмерзлотные воды в пределах подкарьерной отработки представлены двумя маломощными водоносными горизонтами, характеризующимися слабой водообильностью и низкими фильтрационными свойствами.
Подкарьерные запасы, подлежащие первоочередной отработке, расположены в зоне многолетней мерзлоты, нижняя граница, которой находится на глубине 400-450 м. Глубина сезонной оттайки 0,2-3,0 м. Нулевая изотерма проходит на глубине 700 м.
Для оценки возможности разработки рудника “Айхал” системой с обрушением было проведено математическое моделирование напряженно-деформи-рованного состояния отрабатываемого горного массива. Рассматривался вариант первоочередной отработки юго-западного рудного тела системой с обрушением с последующим вовлечением в отработку северо-восточного рудного тела при поэтапном удалении пород (перемычки) между югозападным и северо-восточным рудными телами.
При моделировании учитывались особенности ведения подземных горных работ вблизи отработанного карьера, сложное геометрическое строение рудного тела и неоднородность свойств вмещающих пород.
На рис. 1. показаны объемная модель рудного тела, построенная в соответствии с погоризонтными планами и разрезами, и модель участка месторождения в пределах горизонтов (+50м/+260м), включающего часть карьера и запасы, подлежащие подземной отработке.
Учитывая реальные возможности разрешимости уравнений, описывающих поведение модели, в расчетах рассматривалась часть месторождения, ограниченная по простиранию, выделенная на рис. 1.б, анализ напряжен-но-деформи-рованного состояния которой позволяет определить возможность, последствия и перспективы отработки участков рассматриваемыми системами.
Решение проводилось методом конечных элементов [3]. Рассматриваемая область разбивалась воображаемой сеткой на тетраэдрические конечные элементы (рис. 1.в), определяемые четырьмя узлами с шестью степенями свободы в каждом (перемещения по трем осям и вращения вокруг трех осей).
Элементы связаны друг с другом в конечном множестве узловых точек, расположенных в вершинах. Для областей с нерегулярным контуром, как в рассматриваемом
случае, использование таких элементов позволяет учесть локальные особенности напряженно-
деформированного состояния и обеспечить необходимую точность расчетов при практически приемлемом (хотя и большом) времени счета.
Минимальная длина ребра конечного элемента принималась равной 5 м, максимальная
- 10 м (для элементов, моделирующих рудное тело и породы перемычки) и 10-20 м (для элементов, моделирующих вмещающие породы). Сетка сгущалась в областях, наиболее важных для анализа, и в областях сложной конфигурации, где это требуется для обеспечения необходимой точности расчетов. Количество элементов составляло 65000-75000 для разных вариантов. В работе [4] показана применимость модели упругого тела для скальных мерзлых пород и для влагонасыщенных грубообломочных грунтов, к которым, по-видимому, можно отнести часть вмещающих пород налегающей толщи. Причем деформационные характеристики скальных мерзлых пород и оттаявших достаточно близки по величине (отличие модулей деформации оценивается в 10-20%), и в первом приближении можно использовать усредненные характеристики. Существенно лишь различие между прочностными характеристиками, что должно учитываться при анализе результатов.
Физико-механические свойства руд и вмещающих пород, принятые в расчетах, представлены в таблице. В расчетах учитывался вес реального горного массива. Нагрузки, создаваемые весом пород, залегающих выше гор.+260 м, учитывались приложением соответствующих эквивалентных нагрузок.
Как показали выполненные расчеты, еще до перехода к подземным горным работам в бортах карьера и в нарушенных породах перемычки между юго-западным и северо-восточным рудными телами формируются обширные зоны горизонтальных растягивающих напряжений и деформаций,
выделенные на рис. 2. При этом в бортах карьера преобладают растягивающие деформации, направленные по длинной оси трубки (ось х), а в породах перемычки и в кимберлитах северо-восточной части - по обеим осям. Породы месторождения характеризуются невысокими значениями предела прочности на растяжение. Поэтому в зонах растяжения образование трещин, интенсифицируемое сезонным оттаиванием мерзлых пород, приводит к потере устойчивости и обрушениям, что реально и наблюдается в условиях рудника “Айхал”.
Карбонатные породы перемычки находятся в неустойчивом состоянии, и их сдвижение и разрушение сдерживается лишь зажимом юго-западного и северовосточного рудных тел.
Зоны возможного разрушения пород определялись по критерию Кулона - Мора. Оценка устойчивости массива проводилась в главных напряжениях по условию [5]:
С < С* = 0,5(сті - ст3)/^ф - 0,5(сті+ ст3) tgф; где сть ст3 - соответственно, максимальные и минимальные главные напряжения, МПа; ф - угол внутреннего тре-
Породы Плотность пород, р'10-3, кг/ м3 Модуль деформации, Е' 10-3, МПа Коэффициент Пуассона, V
Кимберлиты 2,5 3,0 0,25
Вмещающие породы 2,6 2,4 0,25
Карбонатные породы 2,2 2,4 0,22
ния, град.; С, С* - соответственно, сцепление пород и его предельное значение в зоне возможного разрушения, МПа.
На рис. 3. представлено распределение максимальных значений сцепления пород (С*), при которых порода находится уже в предельном состоянии. Если же реальные значения сцепления пород меньше рассчитанных, т.е. С < С*, то в таких зонах происходит разрушение.
При сцеплении С = 1-1,5 МПа в предельном состоянии будут находиться борта карьера на юго-западном участке, а на северо-восточном участке, где поверхности обнажения большие, чем на юго-западном участке, так как дно карьера здесь расположено на 30 м ниже, предельное состояние будет достигаться при С = 2 МПа. Зоны разрушения будут развиваться и в малопрочных трещиноватых кимберлитах северо-восточного участка (в отметках (+205м/+235м)). Очевидно, что при обрушении
Рис. 2. Распределение горизонтальных деформаций в отрабатываемом массиве до начала ведения подземных горных работ: ех , 8у - горизонтальные деформации, направленные, соответственно, по длинной и короткой осям трубки; * - зоны растяжения
Рис. 3. Зоны возможного разрушения массива (оценка по критерию Кулона-Мора): С - сцепление пород, МПа; * - зоны возможного разрушения массива: С < С*.
Рис. 4. Зоны возможного разрушения массива, северовосточное рудное тело (оценка по критерию Кулона-Мора): С - сцепление пород, МПа; * - зоны возможного разрушения массива: С < С*
пород перемычки боковой отпор обрушенных пород тем более не сможет препятствовать развитию процессов разрушения. После выемки карбонатных пород между северо-восточным и юго-западным рудными телами зоны предельного состояния в бортах карьера увеличатся и, кроме того, начнется интенсивное развитие растягивающих напряжений и деформаций в кимберлитах.
На рис. 4. показаны зоны возможного разрушения вмещающих пород и кимберлитов северо-восточного рудного тела. Как видно из рисунка, устойчивость пород могла бы сохраняться лишь при сцеплении не менее 5МПа для кимберлитов и не менее 4 МПа для вмещающих пород. Аналогичная картина наблюдается и в кимберлитах юго-западного участка.
В реальных же условиях рассматриваемые массивы не обладают таким сцеплением. По оценкам ВНИМИ, с учетом коэффициента структурного ослабления для большинства вмещающих пород С = 1 МПа и для кимберлитов С = 1-1,6 МПа. Особенно низкие значения сцепления у кимберлитов на контакте с вмещающими породами, где зоны интенсивной трещиноватости распространяются на 3-5 м вглубь рудного тела. При сезонном оттаивании эти показатели будут еще ниже.
Следовательно, вся область пород, прилегающая к донной части карьера, находится в предельном состоянии, и положение лишь ухудшится при углублении карьера и при выемке запасов юго-западного рудного тела до гор.+150 м.
Учитывая малую прочность пород, их сильную нару-шенность, высокое значение коэффициента структурного ослабления, можно сделать вывод, что предельное равновесие массива пород сохраняется лишь в мерзлом состоянии, а при оттаивании, при положительных температурах в водонасышенном состоянии и тем более в аэрированном состоянии, когда прочностные свойства пород снижаются, по меньшей мере, на порядок [4], равновесие будет нарушено и разрушение приобретет массированный характер.
Зоны предельного равновесия распространяются достаточно интенсивно вглубь массива, что ставит под угрозу сохранность подготовительных горных выработок, пройденных в бортах. При отработке системой с обрушением и развитии очистных работ не исключена возможность сдвижения бортов карьера с заложенными в них выработками и нарушения условий их безопасной эксплуатации.
Таким образом, результаты анализа показали невозможность обеспечения устойчивости вмещающих пород и кимберлитов и условий безопасного ведения горных работ при выемке руды системой с обрушением.
Альтернативный вариант отработки подкарьерных запасов подземным способом - применение слоевой восходящей выемки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями и оставлением под дном карьера рудной потолочины (временного целика), при выборе параметров которой можно воспользоваться результатами анализа и расчетов, проведенных для условий отработки подкарьерных запасов рудника “Мир” [6-8].
Это обусловлено тем, что физико-механические свойства кимберлитов для этих рудников одинаковы, а геоме-ханические условия отработки рудника “Айхал” более благоприятные: глубина залегания подлежащих выемке запасов и глубина отработанного карьера меньше, а также существенно меньше размеры в плане отрабатываемого участка и, соответственно, самой потолочины. Поэтому полученные для условий отработки рудника “Мир” значения мощности оставляемой рудной потолочины 1520м можно рекомендовать и для варианта отработки рудника “Айхал”, причем с большим запасом устойчивости.
Таким образом, проведенная геомеханическая оценка показала, что:
• при отработке подкарьерных запасов рудника “Айхал” системой с обрушением невозможно обеспечить устойчивость вмещающих пород и кимберлитов и безопасность ведения горных работ;
• применение в условиях рудника “Айхал” слоевой восходящей выемки с полной закладкой выработанного пространства при мощности рудной потолочины 1520 м обеспечивает устойчивость горных конструкций и безопасное ведение подземных горных работ. Выбор мощности потолочины (в пределах указанных значений) можно производить, исходя из технологической целесообразности, т.е. рассматривая наиболее экономически и технически выгодный способ отработки этой потолочины после завершения выемки запасов первого верхнего этажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Зуев В.М. История алмаза. - М.: Недра, 1997.
2. Козеев А.А., Изаксон В.Ю., Зво-нарев Н.К. Термо- и геомеханика алмазных месторождений.- Новосибирск: Наука.- 1995.- 235 с.
3. Галлагер Р. Метод конечных элементов. - М.: Мир. - 1984.
4. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. -Пущино. - 1998.
5. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М.: Мир. - 1996.
6. К проблеме отработки подкарьерных запасов трубки “Мир” подземным способом./ Н.Ф. Замесов, Л.И. Бурцев, В.А. Звеков., И.И. Айнбиндер, Н.П. Крамсков // Горный журнал. - 2000.- N 9.
7. Технические решения по ускоренному вскрытию и подготовке к эксплуатации подкарьерных запасов трубки
“Мир”/ Н.Ф. Замесов, В.А. Звеков, И.И. Айнбиндер, М.А. Иофис, А.П. Филатов, Н.П. Крамсков // Горный журнал. -2000.- N 10.
8. Геомеханическое обеспечение выбора параметров систем разработки при переходе с открытого на подземный способ добычи кимберлитов/О.В. Овчарен-ко, И.И. Айнбиндер, К.Ю. Шилин Н.П. Крамсков// ФТПРПИ. -2002.^ 6.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Овчаренко Оксана Васильевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПКОН РАН.
