Научная статья на тему 'Геомеханическая оценка условий отработки законтурных запасов при сформированных бортах карьера'

Геомеханическая оценка условий отработки законтурных запасов при сформированных бортах карьера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
104
24
Поделиться
Ключевые слова
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ / МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА / УСТОЙЧИВОСТЬ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Барышников В. Д., Гахова Л. Н., Крамсков Н. П.

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».

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Барышников В. Д., Гахова Л. Н., Крамсков Н. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Геомеханическая оценка условий отработки законтурных запасов при сформированных бортах карьера»

© 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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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; vbar@misd.nsc.ru Гахова Л.Н. - кандидат физико-математическиx наук, ст. научный сотрудник, ИГД СО РАН, E-mail; vbar@misd.nsc.ru

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БOЛOTHЕB Александр Повышение надежности базовых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов в условиях Севера 05.05.0б к.т.н.