CC BY
47
© В.Д. Барышников, Л.Н Гахова,
Н.П. Крамсков, 2010
УДК 622.831
В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова, Н.П. Крамсков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ ЗАКОНТУРНЫХ ЗАПА СОВ ПРИ СФОРМИРОВАННЫХ БОРТАХ КАРЬЕРА
На основе анализа геомеханического состояния прибортового массива и подкарьерной рудной толщи рассмотрены возможные варианты выемки и порядок вовлечения в отработку законтурных и подкарьерных запасов при переходе от открытого к подземному способу разработки трубки «Айхал» АК-«АЛРОСА».
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование, прочностные свойства, устойчивость.
Семинар № 18
у^ри комбинированной отработке
ж. Ж. месторождения после завершения открытых горных работ актуальны выбор и обоснование технологии подземной разработки запасов, которую можно разделить на два этапа: выемка прибортовых и подкарьерных запасов открыто-подзем-ным способом и собственно подземная отработка. Первый этап характеризуется большой сложностью с точки зрения обеспечения безопасных условий ведения горных работ независимо от принятой системы разработки (с обрушением или твердеющей закладкой). Прежде всего это связано с ведением горных работ в условиях предельного состояния бортов карьера и техногенного влияния открытой разработки на состояние массива ниже дна карьера. Отработанный карьер является потенциальным источником скопления паводковых вод и атмосферных осадков, что требует также дополнительных мер по управлению гидрогеомеханической ситуацией. В связи с вышеизложенным, вопросы гео-механического обоснования условий ведения горных работ в переходной зоне имеют важное значение.
В данной статье с учетом сложившейся горнотехнической ситуации на руднике «Айхал» АК «АЛРОСА» (Якутия) выполнен геомеханический анализ возможных вариантов выемки слепого рудного тела, оконтуренного в прибор-товом массиве на уровне отметок дна карьера в ходе эксплуатационной разведки и, как следствие, неучтенного в проекте отработки подкарьерных запасов.
По проекту института «Г ипрони-кель» (г. Санкт-Петербург) подземную отработку запасов месторождения планируется начать с выемки вертикального падающего северо-восточ-ного рудного тела (СВРТ), имеющего эллипсовидную форму в плане с размерами по простиранию около 250 м и переменной мощности в пределах 25 - 70 м. Вначале производится отработка законтурных запасов северо-восточной части СВРТ в отм. +330 ^ +205 м системой подэтаж-ного обрушения с открытым выработанным пространством. Затем в отработку вовлекаются подкарьерные запасы до отм. +150 м с применением системы по-
дэтажного обрушения с торцевым выпуском руды под породной подушкой с последующим переходом на слоевую систему с твердеющей закладкой. Вскрытие запасов осуществляется наклонными съездами из карьерного пространства с отметок + 265 м и +307 м. Параллельно с очистными работами ведется строительство подземного рудника с проходкой двух наклонных и одного вертикального стволов.
Законтурные запасы до отм. +205 м были отработаны системой с открытым выработанным пространством [1]. Последующая выемка до отм. +180 м производилась системой подэтажного обрушения под породной подушкой мощностью 25 м, созданной путем самооб-рушения и принудительного обрушения вмещающих пород. Анализ опыта применения последней показал, что имеют место серьезные осложнения с выпуском руды из-за её слёживаемости и смерзаемости в зимнее время, а также с защитой подготовительных и очистных выработок от поступления селеобразной массы в паводковый период. Первый фактор существенно снижает техникоэкономические показатели выемки, второй - создает опасность прорыва скопившихся на дне карьера обводненных илов, что требует специальных мер по их осушении. Поэтому было принято решение о переходе к слоевой системе разработки с твердеющей закладкой под защитой подкарьерной рудной потолочины. Сложившаяся горнотехническая ситуация на руднике, характеризующаяся сложностью ведения очистных работ при выемке подкарьерных запасов системами с обрушением, незавершенностью строительства шахтных стволов и подготовки глубоких горизонтов, необходимостью форсированного строительства закладочного комплекса в случае перехода на системы с закладкой, остро
ставит вопрос о выборе участков и условий дальнейшей отработки для обеспечения производительности рудника.
Одним из доступных и подготовленных к разработке участков является слепое рудное тело (СРТ), вскрытое выработками при оборудовании водоотлива гор. +205 м. Оно представляет собой сил-лоподобное ответвление от СВРТ и имеет в плане близкую к изометрической форму, а в разрезе - линзообразную форму (рис. 1). СРТ локализуется в интервале отм. +205 г +175 м. Его запасы составляют около 230 тыс. т. Необходимо отметить, что в центральной части СРТ отмечено пластообразное скопление крупных ксенолитов вмещающих пород площадью около 600 м2 при средней мощности 5 м. Вмещающие породы средней трещиноватости представлены известняками, мергелями, доломитами (прочность на
сжатие (Усж = 27 ^ 36 МПа; на растяжение С р = 3 5 МПа). Рудное тело
сложено, в основном, кимберлитовой брекчией слабой и средней трещиноватости.
Исследования механических свойств, выполненные ИГД СО РАН путем испытаний образцов керна из шести равномерно расположенных в СРТ скважин 0 112 мм, показали, что прочностные свойства кимберлитовой брекчии
(Сж = 7,4 МПа; Срр =0,7 МПа) в 1,5 -
2 раза меньше прочности руды основного рудного тела (СВРТ).
Вовлечение в отработку запасов СРТ, исходя из необходимости поддержания карьерной транспортной магистрали (петлевого съезда), на период ввода в эксплуатацию наклонных стволов (см. рис. 1) возможно только с применением систем разработки с твердеющей закладкой. В качестве возможных вариан-
Рис. 1. Вертикальный разрез по оси СРТ (а) и план горизонта +190 м (б)
тов рассмотрены слоевая система разработки с камерно-целиковым порядком выемки запасов в слое тупиковыми за-ходками 5^5 м и камерная система разработки с высотой камер на полную мощность СРТ. Г еомеханическая оценка условий их применения выполнена на основе анализа результатов численного моделирования напряженно-
деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов методом граничных интегральных уравнений с
использование комплекса программ ELB2D [3]. Предполагалось, что параметры исходного поля напряжений соответствуют гипотезе
Гейма [4]:
С = С = С = ~УН - гидростатика, где у0,у0,у0 -
■х У 7
исходные величины напряжений, действующих на глубине Н, у - средний удельный вес налегающей толщи пород.
Результаты численных
расчетов НДС конструктивных элементов слоевой системы разработки при выбранных параметрах с учетом механизированной (комбайновой) проходки заходок (5x5 м) показали (рис. 2, 3):
- при восходящем порядке отработки слоев и, как следствие, с формированием разрезного слоя в почве СРТ горизонтальные напряжения
в рудной кровле (Ух = 10 -
12 МПа, см. рис. 2, а) превышают прочность кимбер-
ср
лита на сжатие (УС = 7,4
4 С|/гС
МПа), что потребует стопроцентного крепления заходок; в этом случае очевидно преимущество нисходящего порядка отработки;
- при нисходящем порядке отработки слоев с формированием разрезного слоя в верхней части СРТ, максимальные горизонтальные напряжения в кровле очистных заходок (Ух не более 20 МПа, см.
рис. 2, б), представленной вмещающими породами, не
а.
ау
-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20
Рис. 2. Величины горизонтальных (ох) и вертикальных (оу) напряжений (МПа) в массиве при полной отработке разрезного слоя в почве (а) и кровле (б) СРТ
превышают прочность пород на сжатие
(ОсЖ = 27 - 36 МПа), что обеспечивает
устойчивость кровли без применения крепи;
- при камерно-целиковой схеме отработки слоя заходками 5*5 м и ширине временного целика, равной ширине за-ходки (двухстадийная отработка), вертикальные напряжения в нем (Оу = 10 -16 МПа, см. рис. 3, а) превышают прочность кимберлита на сжатие (оЖ = 7,4
МПа); для целика шириной 10 м (трёхстадийная отработка) вертикальные напряжения (Оу < 6 МПа, см. рис. 3, б) меньше прочности кимберлита, что по-
зволяет сохранить устойчивость заходок (кровли и боков) без применения крепления до момента подачи закладочной смеси.
Анализ результатов расчета НДС конструктивных элементов камерно-целиковой системы разработки с выемкой на полную мощность СРТ позволяет отметить следующее (рис. 4,
5):
- по фактору напряженного состояния устойчивость кровли камер и целиков достигается при их ширине 10 - 12 м (см. рис. 4); т.к. напряжения в кровле первичных камер (за исключением локального участка кровли ближней к
СВРТ камеры, где Ох - 33 МПа) Ох =
ах
ау
ах
ау
Рис. 3. Величины горизонтальных (о^) и вертикальных (оу) напряжений (МПа) в окрестности очистных заходок 5 м х 5 м при ширине временного целика 5 м (а) и 10 м (б)
10 ^25 МПа (см. рис. 4, а) - меньше прочности вмещающих пород, а вертикальные напряжения (Оу < 6 МПа, см.
рис. 4, б) - меньше прочности кимберлита на сжатие;
- для обеспечения устойчивости прибортового массива (сохранности петлевого съезда, см. рис. 1, а) в районе СРТ размер оставленного целика между СРТ и СВРТ не должен быть менее 15 м; при этом измененная форма камеры (см. рис. 5, в) позволяет ликвидировать зону вертикальных растягивающих напряжений близлежащего к контакту бока камеры (сохранить его устойчивость), при
этом величины горизонтальных Ох (до 24 МПа) и вертикальных Оу (до 6 МПа)
напряжений не превышают прочности, соответственно, вмещающих пород и рудного массива, что обеспечивает сохранность прибортового массива и под-карьерной рудной толщи и, как следствие, гидроизоляцию отработанного пространства от скопления на дне карьера обводненных илов.
Проведенные геомеханические исследования условий отработки подкарь-ерных запасов в сложившейся горнотехнической ситуации на руднике «Ай-хал» позволили определить следующие
Рис. 4. Величины горизонтальных (ох) и вертикальных (оу) напряжений (МПа) в массиве при камерной отработке на полную мощность СРТ
возможные варианты развития горных работ.
1. Выемка руды при необходимости сохранения петлевого съезда в условиях незавершенного строительства рудника и отсутствия закладочного комплекса возможна в юго-западной части СВРТ с применением системы подэтажного обрушения только после осушения в ней обводненных донных отложений.
2. При необходимости вовлечение в отработку СРТ и сохранения петлевого съезда могут быть рассмотрены следующие системы разработки с твердеющей закладкой:
- слоевая нисходящая система разработки, обеспечивающая более полное и качественное извлечение руды за счет возможности селективной выемки ксе-
нолитов в центральной части СРТ; при этом отработка за-ходок (5*5 м) первой очереди подсечного слоя с оставлением временных 10метровых целиков позволит извлечь без применения крепи около 15 - 20 тыс. т товарной руды;
- камерная система разработки позволяет извлечь при отработке первичных камер, высотой 25-30 м, около 7080 тыс. т с более низкими показателями (за счет разу-боживания руды ксенолитами); при этом ширина камер и временных целиков составляет 10 ^ 12 м.
После введения закладочного комплекса запасы СРТ могут быть полностью отработаны при условии оставления 15-метрового целика между СРТ и контуром СВРТ.
3. При переходе на слоевую систему разработки подкарьерных запасов под защитой рудной потто-лочины целесообразно рассмотреть вариант отработки СРТ совместно с оставленной потолочиной после формирования нижележащей искусственной потолочины. Поскольку к этому времени будет завершено строительство подземного рудника и необходимости в сохранении петлевого съезда нет, их совместная отработка может быть осуществлена с применением системы подэтажного обрушения под породной подушкой в комплексе с дополнительными мерами по осушению донных отложений.
Рис. 5. Горизонтальные (ох) и вертикальные (оу) напряжения (МПа) в подкарьерной толще при ширине целика между СРТ и СВРТ10 м (а), 15 м (б) и измененной форме крайней камеры (в)
Окончательный выбор стратегии подземной отработки подкарьерных запасов в переходной зоне на основе предложенных вариантов может быть
осуществлен с учетом необходимости обеспечения производительности рудника и анализа технико-экономичес-ких показателей добычи.
Работа выполнена при финансовой поддержке института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барышников В.Д., Ганченко М.В. Контроль бортов карьера в зоне перехода от открытой к подземной разработке месторождения // сб: Modern geomechanical methods in the mining industry and the undergraund civil engineering and tunnel construction.- Nessebar, Bulgaria.- 2003.- 105 - 112.
2. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Геомеха-ническая оценка условий выемки запасов вблизи борта карьера // сб. Открытая добыча полезных ископаемых. Устойчивость откосов и ох-
рана окружающей среды.- Варна, Болгария.-2003.- 97-106
3. Гахова Л.Н. Программа расчета напряженно-деформированного состояния массива блочной структуры методом граничных интегральных уравнений (ELB2D). РосАПО. свид. об офиц. регистр. №960814.
4. Мамонов А.Ф., Необутов Г.П. К проблеме отработки слепого рудного тела кимберли-тового месторождения «Айхал» / Труды меж-дунар. конф «геодинамика и напряженное состояние недр Земли.- Новосибирск, 2004.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Барышников В.Д. - кандидат теxническиx наук, зав. лабораторией диагностики меxаниче-ского состояния массива горные пород ИГД СО РАН, E-mail; [email protected] Гахова Л.Н. - кандидат физико-математическиx наук, ст. научный сотрудник, ИГД СО РАН, E-mail; [email protected]
Крамсков Н.П. - доктор теxническиx наук, главный научный сотрудник института «Якутнипроалмаз».
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БOЛOTHЕB Александр Повышение надежности базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов в условиях Севера 05.05.0б к.т.н.
