Геомеханическая оценка технологии отработки глубоких горизонтов Южного месторождения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------- © М.И. Рассказова, Г.А. Курсакин,

Г.М. Потапчук, 2009

УДК 622.831.32

М.И. Рассказова, Г.А. Курсакин, Г.М. Потапчук

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ ЮЖНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

жное полиметалическое месторождение располагается

-яЛыТ в центральной части Дальнегорского рудного поля Приморского края и приурочено к замыканию крупной синклинальной складки второго порядка. Ядро синклинали сложено нижнемеловыми песчано-сланцевыми породами, крылья — туфогенноосадочными породами.

На месторождении широко развиты разрывные нарушения. По ориентировке в пространстве они разделяются на северо-восточные и северо-западные. Нарушения северо-восточного простирания (6070°) являются наиболее ранними. Это основные рудовмещающие структуры для рудных тел: жилы № 4 и Черной. Преобладающие на месторождении нарушения северо-западного простирания являются наиболее протяженными и выражены зонами интенсивной трещиноватости и брекчирования мощностью 1-10 м. Этими нарушениями массив пород разбит на структурные блоки примерно па-раллелепипедной формы шириной от 20 до 100 м.

Основное промышленное значение имеет жила № 4, которая прослеживается с поверхности по простиранию на 1000 м и по падению на 520 м и расположена в зоне разлома Рудного на водоразделе ключей Сухого и Эльдорадского. Простирание жилы восточно-северо-восточное азимутом 72°, падение на юго-восток под углами 35-60°. Жила сложена массивными полосчатыми сульфидными и карбонатно-сульфидными рудами. Мощность жилы колеблется от нескольких сантиметров до 3,75 м. Распределение металлов по жиле неравномерное с выраженной тенденцией снижения содержания полезных компонентов в руде с глубиной. Вмещающими породами являются переслаивающиеся песчаники и алевролиты. Обычно породы значительно ороговикованы и окварцованы.

Особенность эксплуатации Южного месторождения заключается в проявлении горного давления в динамических формах на относительно небольших глубинах (170-300 м). Первые горные удары имели место уже на глубине 170 м от поверхности, и в связи с этим месторождение было отнесено к опасным по горным ударам ниже горизонта +760 м (вертикальная глубина 180-200 м).

Анализ геомеханической ситуации на месторождении свидетельствует, что с переходом на нижние горизонты с каждым годом количество и интенсивность динамических проявлений горного давления возрастает. Если в период 2006 г. на месторождении было зарегистрировано 88 случаев динамических проявлений горного давления, то в 2007 гг. количество зарегистрированных случаев динамических проявлений составило уже 126. Одной из основных причин опасных динамических явлений явилось несовершенство проектных технологических решений, предусматривающих разработку месторождения системой с магазинированием отбитой руды и отработкой очистных блоков в направлении снизу вверх на уменьшающийся подштрековый целик. Для снижения удароопас-ности первоначально применяющаяся технология была заменена на технологию отработки очистных блоков системой подэтажных штреков с отработкой подэтажей сверху вниз, с помощью которой была отработана основная часть запасов [2].

В связи с изменением элементов залегания рудных тел (угла падения и мощности жил) для отработки рудной залежи в этаже 440-480 м была предложена технология с комбинированием двух систем разработки: подэтажными штреками (для отработки крутопадающих участков блока), со средней мощность рудной жилы и углом падения от 40° до 50°, и с распорной крепью (приповерхностных и наклонных участков блока), представляющих собой маломощные участки руды с углом наклона 0-20°. К основным конструктивным элементам данной технологии (рис. 1) следует отнести формирующиеся в процессе подготовки и отработки блоков меж-дукамерные рудные целики и рудные массивы подэтажных горизонтов, которые могут представлять повышенную удароопасность.

Отработка запасов руды в исследуемом этаже 440-480 м предусматривается произвести от фланга блока 7 к флангу блока 1 с отставанием от отработки надштрековых целиков в

Рис. 1. Обобщенная расчетная схема для моделирования НДС участка, отрабатываемого системой подэтажными штреками: 1 - нижняя граница выработанного пространства, отработанного с распорной крепью; 2 - доставочные подэ-тажные выработки; 3 - буровой штрек; 4 - подрезной штрек; 5 - скреперный штрек; 6 - транспортный уклон; 7 - междукамерные целики; 8 - рудный массив

подэтажей; т - мощность жилы; Ьпэт - высота подэтажа; L - длина выработанного пространства; в - угол падения рудного тела

этаже 480-550 м. Допускается совмещение отработки, но при этом отработка запасов блоков 1-8 должна быть закончена, а отработка надштрековых целиков штрека 2173 должна опережать отработку запасов руды в этаже 440-480 м не менее чем на 2 блока.

Отбойка руды на верхнем подэтаже производится путем взрывания скважин, пробуренных с штрека бурового (абс. отм.

Рис. 2. Схема отбойки запасов руды с применением системы разработки по-дэтажными штреками

471 м), а отбойка руды на нижнем подэтаже с штрека подэтажного соответственно (абс. отм. 458 м) (рис. 2). Отбойка руды на верхнем подэтаже должна опережать отбойку на нижнем подэтаже не менее чем на 1-2 веера (2-4 м). После отбойки руда под собственным весом через дучки поступает на скреперных штрек, далее по скреперному штреку руда доставляется к восстающему (рудоспуску), и перепускается в заезд горизонта 440 м из заезда в ковшах ПДМ доставляется в бункера гор 480 м оттуда в вагонах УВБ транспортируется к разгрузке скипоклетьевого ствола.

При отработке верхней части блока с применением системы разработки подэтажными штреками вынужденной мерой является прохождение 2 дополнительных выработок с абсолютными отметками поверхности 477 и 464 м.

10 0 10 20 30 40 50 60

Рис. 3. Распределение средних нормальных напряжений аср в конструктивных элементах системы разработки месторождения «Южное» на различных стадиях отработки очистного блока (в проекции на наклонную плоскость при т = 3 м; Р= 40°): а - L = 20 м; б - L = 40 м.

Рис. 4. Распределение средних нормальных напряжений аср в целиках при отработке соседнего очистного блока (в проекции на наклонную плоскость при т = 3 м; Р = 40°).

Геомеханическую оценку предложенной системы разработки Южного месторождения в условиях высокой изменчивости элементов залегания рудных тел и влияния, близко расположенных выработок выполняли на основании изучения напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива горных пород с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в объемной постановке задачи [3].

Граничные условия принимались по данным многолетних экспериментальных исследований [1, 2]. Физико-механические свойства горных пород для расчетов принимались следующие: модуль Юнга для вмещающих пород и руд 59000 и 53000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25 и 0,27, и плотность 2600 и 3500 кг/м3 соответственно.

Результаты расчетов представлялись в виде изолиний средних нормальных напряжений (среднего давления)

аср = (ст1 + а2 + а3)/3 и интенсивности касательных напряжений

т =, (а,-а )2 + (а2 — а )2 + (а3 — а )2 .

инт у V 1 ср ‘ V 2 ср ‘ V 3 ср '

Результаты численного моделирования напряженно-

деформированного состояния (НДС) показали, что отработка ме-

сторождения по комбинированной схеме приводит к формированию сложного техногенного поля напряжений. Наиболее высокий уровень напряжений отмечен в двух верхних подэтажах (в области, граничащей с ранее выработанным пространством) и в прилегающих к ним участкам междукамерных целиков.

Величина нормальных и касательных напряжений растет прямо пропорционально увеличению длины выработанного пространства L, достигая максимума (до 100 МПа и более) при полной отработке блока (рис. 3).

В формирующемся вокруг очистного пространства техногенном поле напряжений выявлена протяженная область повышенных напряжений в лежачем боку рудного тела. Установлено также, что при полной отработке соседнего очистного блока напряжения в целиках увеличиваются на 25-30 % (рис. 4.).

Важное практическое значение имеют выявленные в процессе исследований закономерности изменения напряженного состояния в конструктивных элементах применяемой системы разработки в условиях высокой изменчивости параметров

Рис. 5. Изменение К а в массиве верхнего (1) и нижнего подэтажа (2) и в соответствующем участке междукамерного верхнего целика (3) в зависимости от мощности рудного тела т (при L = 20 м; р = 40°)

К 4

3.5 3

2.5 2

1.5 1

1

/ У /

2 У

■

10 20 30 40 ТМ

Рис. 6. Изменение Ка в массиве верхнего подэтажа (1) и в соответствующем

участке междукамерного целика (2) в зависимости от длины выработанного пространства L (при т = 3 м; р = 40°)

залегания рудной жилы. Установлено, что при изменении мощности рудного тела с 3 до 0,75 м происходит снижение напряжений в верхних целиках на 15-20 % (рис. 5).

Значительно большее влияние на уровень напряжений в конструктивных элементах системы разработки оказывает изменение угла падения рудных тел 3 и увеличение длины выработанного пространства L.

Так по мере увеличения длины выработанного пространства уровень нормальных и касательных напряжений в охранных целиках шириной 3 м приближается к пределу прочности пород на сжатие, что свидетельствует об их высокой удароопасности. Изменение коэффициента концентрации нормальных напряжений Ка = аср / оисх в зависимости от длины выработанного пространства L иллюстрируют графики на рис. 6.

С увеличением крутизны падения жилы происходит закономерный рост нормальных и касательных напряжений, достигающие максимума междукамерных целиках при 3 = 75°, а в массиве подэтажей - при 3 = 90° (рис. 7).

тг- 1 \

X ч ч

\ 2 \ \

90 75 60 45 $,град

Рис. 7. Изменение К а в массиве верхнего подэтажа (1) и в соответствующем

участке междукамерного целика (2) в зависимости от угла падения рудного тела р (при m = 3 м; L = 20 м)

Если изменение напряженности последних происходит прямо пропорционально изменению угла падения, то геомеханические процессы охранных имеют более сложный характер, где уровень напряжений в зависимости от величины 3 изменяется в 2,2-2,5 раза.

При обосновании мероприятий повышения ударобезопасности был рассмотрен вариант увеличения длины междукамерных целиков до 4 м, что позволяет несколько снизить их напряженность (в 1,1 раза) и одновременно повышает несущую способность, но полностью не исключает возможность разрушения данных конструктивных элементов в динамической форме. Кроме того, реализация этого мероприятия увеличивает потери полезного ископаемого. Поэтому, при ведении горных работ на глубоких горизонтах Южного месторождения для снижения удароопасности был рекомендован комплекс мероприятий, предусматривающий изменение формы сечения выработок в сочетании с щелевой разгрузкой наиболее напряженных краевых частей массива и целиков при непрерывном их геомеханическом мониторинге автоматизированными системами контроля [4].

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рассказов И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона. М.: Изд-во «Горная книга», 2008. 329 с.

2. Повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений Сибири и Дальнего Востока / А.М. Фрейдин, В.А. Шалауров, А.А. Еременко и др. Новосибирск: Наука: СИФ, 1992. 177 с.

3. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике, М.: Недра, 1987.

4. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99) / Колл. авторов. М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. 66 с. шгЛ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Курсакин Г.А. - доктор технических наук,

Рассказова М.И - младший научный сотрудник,

Потапчук Г.М. - научный сотрудник,

Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.

E-mail: marinka201982@rambler.ru