CC BY
38
Компания «Совзонд», 2012. 308 с.
9. Пронин В.П. Семенова Е.Ю. Космические методы экологического мониторинга // Астронет [Электронный ресурс]. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/40.html
10. Профессиональная ГИС карта 2011 // ГИС панорама [Электронный ресурс]. URL: http://www.gisinfo.ru/products/map2008_prof.htm
11. Самардак А.С. Геоинформационные системы. Владивосток: Изд-во ДвГУ, 2005. 123 с.
12. Спектральная отражательная способность природных
объектов // Институт космических исследований Space Research Institute [Электронный ресурс]. URL: http://www.iki.rssi.ru
13. Хлебникова Т.А. Создание цифровых карт и планов средствами ГИС «Панорама»: учеб.-метод. пособие. Новосибирск: Изд-во СГГА, 2007. 125 с.
14. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии // Нефть - Газ. Электронная библиотека [Электронный ресурс]. URL: http://www.info.oglib.ru/bgl/6749/100.html
УДК 622.831
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД КОНЕВИНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖЕНИЯ
© А.С. Сафьянов1, Е.Л. Сосновская2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследований геомеханических условий горного массива Коневинского золоторудного месторождения: физико-механические свойства пород и руд, первоначальные напряжения, тектоническая нару-шенность и криогенное состояние массива горных пород. Данные геомеханических условий планируется использовать для расчетов параметров подземной геотехнологии на руднике. Ил. 2. Табл. 5. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: золоторудные месторождения; физико-механические свойства горных пород; напряженное состояние массива горных пород; мерзлота, трещиноватость, обводненность горных пород.
GEOMECHANICAL CONDITIONS OF THE KONEVINSKOE GOLD DEPOSIT ROCK MASSIF A.S. Safianov, E.L. Sosnovskaya
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article reports on the results of studying the geomechanical conditions of the Konevinskoe gold mine deposit: physical and mechanical properties of rocks and ores, natural stresses, tectonic fractures and cryogenic state of the rock massif. The data of geomechanical conditions will be used to calculate the parameters of underground geotechnologies. 2 figures. 5 tables. 3 sources.
Key words: gold ore deposits; physical and mechanical properties of rocks; stress state of rocks massifs; permafrost; rock fracturing; water content of rocks.
В Республике Бурятии недалеко от районного центра п. Орлик находится Коневинское золоторудное месторождение (рудник Хужир). На месторождении ведется разработка крутопадающих жил малой мощности (0,8-1,2 м) системами с открытым выработанным пространством. Глубина горных работ достигла 250-300 м. Ниже разведанных горизонтов золотоносность структуры прослеживается еще на 300 м. В настоящее время планируется доразведка запасов с целью их последующей отработки.
Рудные тела залегают в устойчивых и умеренно устойчивых породах, в основном, гранодиоритах. Угол падения рудных тел составляет 70-85°. Рудные тела линейные, выдержанные по падению с небольшими плавными изгибами с отклонением от основного направления не более 10-15°. Рудные тела приурочены к разрывным нарушениям северо-западного Сай-
лагского простирания на пересечении ими широтного дайкового пояса вулкано-тектонической структуры. Морфологически зоны выражены рассланцеванием пород, сопровождающимся их березитизацией и окварцеванием. Характерной особенностью промышленных рудных тел Коневинского месторождения является их переход, как по простиранию, так и по падению, в маломощные рудные убогосульфидные прожилки и системы прожилков и наоборот.
В районе месторождения повсеместно распространены многолетнемерзлые породы. Температура пород в подземных горных выработках колеблется от -3 до -5°С. Их сезонное оттаивание происходит до глубины 1,5-2,0 м, а на склонах северной экспозиции не превышает 0,5 м. Уровень многолетнемерзлых пород находится на глубине от 250 до 400 м от дневной поверхности.
1Сафьянов Александр Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1 [email protected]. Safianov Alexander Postgraduate, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1 [email protected]
2Сосновская Елена Леонидовна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: [email protected]
Sosnovskaya Elena, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Deposit Development, tel.: (3952) 405216, e-mail: [email protected]
98
ВЕСТНИК ИрГТУ №11 (94) 2014
ISSN 1814-3520
В целом можно отметить, что выемка жил осложнена рядом геомеханических факторов: ограниченным размером отрабатываемых рудных жил, разнообразием физико-механических свойств пород и руд, наличием многолетней мерзлоты, тектонической нарушен-ностью, трещиноватостью массива горных пород и др.
Возникла необходимость изучить геомеханические условия Коневинского месторождения с целью обоснования устойчивых и безопасных параметров геотехнологии.
Сотрудниками Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) в 2011-2014 гг. было исследовано геомеханическое состояние горного массива на Коневинском месторождении. Авторами данной статьи были проведены лабораторные исследования физико-механических свойств руд и вмещающих пород на месторождении по 27 образцам горных пород, в том числе 22 образцам вмещающих пород, 5 - кварцевых руд. Определены основные физико-механические свойства, влияющие на геомеханическое состояние массива горных пород: плотность,
пределы прочности на сжатие и растяжение, сцепление, модуль упругости, угол внутреннего трения и коэффициент Пуассона.
В качестве исходных условий для расчетов параметров подземной геотехнологии физико-механические свойства определялись в естественно сухом состоянии, так как по результатам визуального обследования мерзлота в изучаемых породах «сухая», т.е. вода в виде льда присутствует в незначительных количествах (табл. 1, 2).
Установлена плотность пород (2,72±0,02 т/м3), руд (2,68±0,17 т/м3). Предел прочности пород на сжатие составил, МПа: для вмещающих пород - 112,41 ±11,45; для руд - 118,2±14,1; на растяжение соответственно 14,08±14,1 и 16,0±2,1 МПа. Угол внутреннего трения пород равен 34,0 ±1,6°, руд - 33,4±2,1°. Сцепление пород - 22,5± МПа, руд - 25,0±3,2 МПа. Коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,26-0,30. Модуль Юнга для пород - 27,2±4,4 МПа, для руд - 17,9±1,6 МПа (см. табл. 1, 2).
Физико-механические свойства горных пород Коневинского месторождения в естественно сухом состоянии
Таблица 1
Наименование породы, руды Средняя плотность, р, т/м Модуль упругости, Е, МПа, Коэф. Пуассона, р Предел прочности пород, Стсж, МПа Коэф. хрупкости Сцепление, т, МПа Угол внутр. трения Ф, град.
на сжатие на растяжение
Гранодиорит порфировый 2,68 20,2 0,26 122,12 13,15 9,3 24 36
Гранодиорит среднезернистый 2,67 20,9 0,26 108,69 12,2 8,9 21 36
Гранодиорит среднезернистый 2,7 23,2 0,27 148,13 11,27 13,1 21 39
Гранодиорит среднезернистый 2,68 29,1 0,25 143,52 9,37 15,3 24 38
Гранодиорит неравномерно-зернистый 2,68 20,5 0,25 14,5 10,16 14,1 24 38
Гранодиорит порфировый 2,69 18,8 0,24 157,06 15,54 10,1 26 37
Гранодиорит неравномерно-зернистый 2,68 11,3 0,25 120,38 13,43 9,0 22 36
Гранодиорит среднезернистый 2,69 19,2 0,24 169,46 13,17 12,9 26 39
Гранит-порфир 2,68 17,2 0,24 151,28 12,31 12,3 25 38
Гранит порфировидный 2,69 13,7 0,25 139,06 11,91 11,7 23 38
Катаклазит 2,87 11,3 0,28 68,68 6,57 10,5 12 37
Андезит 2,91 18,8 0,26 91,17 10,63 8,6 18 35
Березит 2,76 37,7 0.4 84,14 23,33 3,6 26 27
Березит 2,77 35,7 0,41 46,27 10,42 4,4 13 28
Березит 2,79 41,5 0,39 100,43 12,07 8,3 20 35
Гранодиорит 2,71 31,8 0,4 95,36 11,72 8,1 19 35
Гранодиорит 2,71 30,6 0,42 95,57 24,68 3,9 28 27
Гранодиорит 2,64 41,7 0,38 107,01 22,11 4,8 27 27
Гранодиорит 2,82 44,0 0,41 96,21 17,01 5,7 22 30
Березитизированный гранодиорит 2,7 17,3 0,44 90,48 15,98 5,7 21 30
Гранодиорит 2,68 37,7 0,37 105,19 14,66 7,2 26 33
Гранодиорит 2,69 55,4 0,31 89,37 18,15 4,9 26 30
Среднее по вмещающим породам 2,72±0,02 27,2±4,4 0,32±0,03 112,41 ±11,45 14,08±1,69 8,0±0,5 22,5±1,5 34,0±1,6
Таблица 2
Физико-механические свойства кварцевых руд Коневинского месторождения _в естественно сухом состоянии_
Наименование породы, руды Средняя плотность, р, г/см3 (т/м3) Модуль упругости, Е, ГПа, Коэф. Пуассона, р Предел прочности пород, ор, МПа Коэф. хрупкости Сцепление, т, МПа Угол внутр. трения Ф, град.
на сжатие на растяжение
Кварцевая руда 2,73 15,0 0,25 142,33 17,95 7,9 28 35
Кварцкарбонатная руда 2,83 18,5 0,25 121,25 17,47 6,9 25 33
Березит 2,75 18,0 0,25 115,09 12,65 9,1 22 36
Кварцевая руда в катаклазите 2,75 18,0 0,26 112,99 25,55 4,4 29 30
Катаклазит с кварцем (руда) 2,36 20,0 0,27 99,24 14,39 6,9 21 33
Среднее по кварцевым рудам 2,68±0,17 17,9±1,6 0,26±0,01 118,2±14,1 16,0±2,1 7,4±1,5 25,0±3,2 33,4±2,1
Породы и руды в целом склонны к хрупкому разрушению. Коэффициент хрупкости пород по Г.Н. Кузнецову, равный отношению предела их прочности на сжатие к пределу прочности на растяжение, составляет в среднем 8,0, руд - 7,4, что больше критерия хрупкого разрушения, равного 6.
Следует уточнить, что породы и руды в массиве горных пород находятся в различных криогенных состояниях. Кроме зоны многолетнемерзлых пород существуют переходные зоны от многолетнемерзлых пород к талым: постоянная, сезонная и техногенная (рис. 1). Визуальный анализ горных пород в отрабатываемых переходных зонах показал, что вода в переходных зонах также находится в незначительных ко-
личествах в виде льда, поэтому полученные физико-механические характеристики мерзлых пород действительны и для переходных зон.
С проведением горных работ ниже 400 м зона талых пород будет увеличиваться, вода перейдет в другое агрегатное состояние, возможно, появятся отдельные участки водонасыщенных горных пород. Поэтому в качестве исходных для расчетов параметров подземной геотехнологии на глубоких горизонтах дополнительно рекомендуется определять физико-механические свойства водонасыщенных горных пород. Такие исследования были дополнительно проведены авторами в 2014 г. на 10 образцах, отобранных из различных рудных тел (табл. 3).
Рис. 1. Геомеханические условия отработки Коневинского месторождения (на примере рудного тела Центральное): 1 - проекции на вертикальную плоскость горных выработок; 2 -значения температур пород горного массива; 3 - принципиальная схема вентиляции горных выработок (зеленым цветом показаны входящие потоки наружного воздуха, красным - выходящий поток); 4 - положение нулевой изотермы в массиве пород; 5 - положение нулевой изотермы воздуха в горных выработках; 6 - постоянная переходная зона от многолетнемёрзлых пород к талым на границе многолетней мерзлоты; 7 - сезонная и техногенная переходные зоны: 8 -участки интенсивного развития трещиноватости
1 0 0
ВЕСТНИК ИрГТУ №11 (94) 2014
ISSN 1814-3520
Таблица 3
Физико-механические свойства горных пород Коневинского месторождения _в водонасыщенном состоянии_
Наименование пород Предел прочности, ор , МПа Коэф. хрупкости Сцепление, т, МПа Угол внутреннего трения ф, град.
на сжатие на растяжение
Березиты 78,15 16,30 4,8 22,94 28,74
Березиты 45,64 8,98 5,1 13,17 29,39
Березиты 90,26 12,14 7,4 23,12 33,36
Гранодиортит 70,84 12,31 5,8 19,68 30,74
Гранодиортит 92,15 11,60 7,9 23,09 33,99
Гранодиортит 81,08 13,37 6,1 22,17 31,30
Гранодиортит 49,34 12,54 3,9 15,32 26,46
Березитизированный гранодиорит 41,71 11,11 3,8 13,11 25,91
Гранодиорит 84,69 12,74 6,6 22,49 32,25
Гранодиорит 81,39 12,76 6,4 21,90 31,82
Среднее по водона-сыщенным породам 71,53±10,85 12,39±1,05 5,8±0,8 19,70±2,40 30,40±1,57
Анализ результатов определения физико-механических свойств пород в водонасыщенном состоянии позволяет отметить, что данные, представленные в табл. 3, значительно отличаются от полученных ранее для условий естественно сухого состояния. Так, например, прочность пород на сжатие в рудном теле Центральное была получена для: пород в естественно влажном состоянии - 89,3 МПа, в водонасыщенном состоянии - 72 МПа, на растяжение соответственно 17,3 и 12,5 МПа. Для рудного тела Радужное эти характеристики соответственно составляют: на сжатие - 95,0 и 69,3 МПа, на растяжение - 16,3 и 12,2 МПа. Угол внутреннего трения пород для обоих рудных тел равен 30-31°. Сцепление для пород в естественно влажном состоянии на обоих участках равно 25-26 МПа, в водонасыщенном состоянии - 1920 МПа (то есть в водонасыщенном состоянии прочностные характеристики пород снижаются примерно на 20-30%).
Необходимо также отметить снижение склонности пород к хрупкому разрушению. Коэффициент хрупкости водонасыщенных пород уменьшается и составляет в среднем 5,8±0,8, что несколько ниже критерия Кузнецова.
Анализ тектонической нарушенности на месторождении показывает наличие значительных участков интенсивного развития трещиноватости (см. рис. 1). Также распространены субвертикально ориентированные и интенсивно тектонизированные преимущественно вертикальными трещинами рудные зоны. Вмещающие породы находятся в монолитном или крупноблоковом состоянии. Как было сказано выше, породы располагаются в основном в зоне многолетней мерзлоты, при этом мерзлота «сухая», т.е. породы находятся в естественно сухом состоянии.
По степени устойчивости породы и руды месторождения характеризуются как среднеустойчивые и устойчивые (рис. 2).
Рис. 2. Горные породы в очистной выработке: устойчивые - в стенках, среднеустойчивые - в кровле и забое
Следует отметить, что наличие многолетней мерзлоты существенно увеличивает степень устойчивости пород повышенной влажности. Такие условия на месторождении отмечены в зонах наиболее интенсивной тектонической нарушенности массива (см. рис. 1), ориентированной как вдоль, так и поперек направления простирания рудных тел и зон. Эти участки в основном устойчивые и среднеустойчивые. Но в случае растепления горных выработок такие зоны переходят в категорию неустойчивых.
Еще одним основным геомеханическим фактором, влияющим на устойчивость горных выработок, обнажения камер и целиков, является первоначальное (природное) поле напряжений. Оценка природных напряжений на месторождении осуществлялась натурными измерениями. Измерение напряжений горных пород производилось по методике, разработанной в Институте горного дела УрО РАН [1]. Измерения проводились в июле 2011 г. на штреках №№ 4, 9, 10 и квершлаге № 3 горизонта штольни № 2. Глубина горных работ на участке замера составила 335 м. Всего были измерены напряжения в 25 щелях [1]. В феврале 2014 г. дополнительно проводились измерения на двух участках - Коневинский (на глубине 250-300 м) и Радужный (на глубине 180-200 м). Всего измерены напряжения: на участке Коневинский - в 29 щелях, на участке Радужный - в 13 щелях (табл. 4).
Ранее при исследовании природных напряжений в многолетнемерзлых массивах горных пород было установлено, что в толще многолетнемерзлых массивов горных пород на глубинах от 200 до 250 м величины вертикальных и горизонтальных напряжений аппроксимируются формулами гипотезы о гидростатическом напряженном состоянии [3]:
ов =-уН; апр =-1,0уН; оп =-1,0уН ав. Полученные для условий Коневинского месторождения значения коэффициентов: Кпр = 1,2-1,5; Кп = 0,81,3, несколько больше коэффициентов, установленных для массивов мерзлых пород, равных 1,0. Это связано, по-видимому, с наложением друг на друга следующих геомеханических факторов: зон интенсивной трещиноватости, зон многолетнемерзлых пород, переходных зон мерзлых пород в талые (из-за понижения глубины горных работ и сезонного оттаивания пород), гористого рельефа земной поверхности над рудными телами Центральное и Радужное (см. рис. 1).
В ходе проведения геоинформационных исследований формирования тектонических структур, в том числе и на Коневинском месторождении, выявлено наличие средне- и высоконапряженных участков в массивах горных пород (зон повышенного взаимного влияния тектонической нарушенности и рудных тел) [2; 3].
Установлено, что с увеличением глубины горных
Таблица 4
Результаты измерений природных напряжений
Напряжение Глубина разработки, м Результаты натурных измерений напряжений горных массивов
Число единичных определений напряжения Напряжение, МПа Отношение продольного напряжения к вертикальному, Опр/Ов (коэф. Кпр) Отношение поперечного напряжения к вертикальному, Оп/Ов (коэф. Кп)
Рудное тело Радужное, полевой штрек 2-1 и квершлаг на БК-2 горизонта штольни № 2
Вертикальное 180-200 21 -5,4±0,6 1,2 0,8
Продольное 12 -6,6±1,9
Поперечное 12 -4,3±0,5
Рудное тело Центральное, гор. 2165 м и гор. 2215 м, район восстающего 8-3-1
Вертикальное 250-300 120 -8,1 ±0,7 1,5 1,2
Продольное 64 -11,9±2,0
Поперечное 64 -12,8±1,8
Штреки №№ 4, 9, 10 и квершлага № 3 горизонта штольни № 2
Вертикальное 300-350 68 -9,0±2,1 1,0 1,3
Продольное 32 -8,9±1,1
Поперечное 32 -12,0±0,7
Среднее значение 1,2 1,1
Анализ результатов измерений позволяет отметить, что отношения продольного и поперечного напряжения к вертикальному Кпр и Кп изменяются от 1,0 до 1,5 и от 0,8 до 1,3 соответственно. В среднем эти коэффициенты составляют: Кпр - 1,2, Кп - 1,1. Поэтому величины напряжений на Коневинском месторождении можно аппроксимировать формулами: Ов = -уН; оПр = К„р Ов= -1,2уН; оп =-1,1 уН, где у - плотность пород и руд, мН/м3; Н - глубина горных работ, м.
"102
работ до более 350-400 м мерзлые породы постепенно переходят в талые. Напряжения в талых породах, по опыту других рудников [2; 3], будут аппроксимироваться формулами гипотезы гравитационно-тектонического напряженного состояния. Определены эмпирические зависимости природных напряжений от глубины разработки:
- в средненапряженных зонах:
ов = -yH; опр = -0,95ов ; оп = -1,6 ов;
- в высоконапряженных зонах:
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ №11 (94) 2014
Таблица 5
Прогнозные природные напряжения горного массива Коневинского месторождения
Глубина разработки, м Значение напряжений Основные факторы, влияющие на природное напряженное состояние и устойчивость пород
на средненапряженных участках, МПа на высоконапряженных участках, МПа
Ов Опр Оп Ов Опр Оп
100 -2,7 -3,2 -3,0 -2,7 -3,2 -3,0 Мерзлые породы и переходные зоны мерзлых пород в талые. Гористый рельеф. Локальные участки интенсивной трещинова-тости и обводненности
150 -4,0 -4,8 -4,4 -4,0 -4,8 -4,4
200 -5,4 -6,5 -5,9 -5,4 -6,5 -5,9
250 -6,8 -8,2 -7,5 -6,8 -8,2 -7,5
300 -8,1 -9,7 -8,9 -8,1 -9,7 -8,9
350 -9,5 -11,4 -10,5 -9,5 -11,4 -10,5
400 -10,8 -10,8 -17,3 -10,8 -27,0 -27,0 Талые породы. Локальные участки интенсивной трещиноватости и обводненности
450 -12,2 -12,2 -19,4 -12,2 -30,5 -30,5
500 -13,5 -13,5 -21,6 -13,5 -33,7 -33,7
550 -14,9 -14,9 -23,8 -14,9 -37,2 -37,2
600 -16,2 -16,2 -25,9 -16,2 -40,5 -40,5
ов = -yH; оПр = -о„ = -2,5 ов .
Таким образом, на основе обобщения ранее проведенных [2; 3] и настоящих исследований авторы уточнили матрицу прогнозных величин первоначальных напряжений горного массива для конкретных условий Коневинского месторождения (табл. 5).
Величины прогнозных природных напряжений и физико-механических свойств пород и руд рекомендуется использовать в качестве исходных геомеханических условий для расчетов параметров подземной геотехнологии на руднике. Расчеты параметров безопасных и эффективных подземных геотехнологий следует вести с учетом пространственного положения границ мерзлых пород, сезонных и постоянных пере-
ходных зон мерзлых пород в талые и талых пород. Также необходимо учитывать влияние на напряженное состояние горных пород и устойчивость горных выработок гористого рельефа земной поверхности, областей интенсивной трещиноватости, тектонических разломов, обводненных участков.
При понижении горных работ до глубины 400 м и более рекомендуется повторить натурные измерения напряжений, отбор образцов горных пород и анализ тектонической нарушенности на глубоких горизонтах с целью уточнения и корректировки геомеханических условий на руднике.
Статья поступила 29.10.2014 г.
Библиографический список
1. Влох В.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994. 208 с.
2. Сосновский Л.И., Сосновская Е.Л.,Сафьянов А.С. Исследование природных напряжений массива горных пород на золоторудном Коневинском месторождении / Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр.
Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. Вып. 13. С. 79-88. 3. Сосновская Е.Л., Ясыченко В.Б. Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока // Вестник ИрГТУ. 2011. № 11. С.74-78.
УДК 614.841.47
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ НА РАННИХ СТАДИЯХ
© Г.И. Смирнов1, С.С. Тимофеева2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена возможность и сформулированы основные принципы создания экспертной системы на основе многофакторного моделирования пожаров. Разработана методика расчетов времени срабатывания пожарных изве-щателей, позволяющая оптимизировать выбор и размещение пожарных извещателей в зависимости от характеристик объекта защиты и имеющейся на объекте пожарной нагрузки. Приведен алгоритм создания системы противопожарной защиты на объекте.
1Смирнов Григорий Иванович, аспирант, e-mail: [email protected] Smirnov Grigoriy, Postgraduate, e-mail: [email protected]
2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405106.
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405106.
