CC BY
56
© А.А. Козырев, И.Э. Семенова, А.В. Земцовский, 2010
УДК 622.831
А.А. Козырев, И.Э. Семенова, А.В. Земцовский
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ НА ПЕРСПЕКТИВНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ОЛЕНИЙ РУЧЕЙ
Проведено геомеханическое обоснование безопасных параметров систем разработки и последовательности ведения горных работ на перспективном апатитонефелиновом месторождении Олений Ручей.
Ключевые слова: апатитонефелиновое месторождение, горные породы, подработанные породы, растягивающие деформации.
Неделя горняка
и я ерспективное апатитонефели-
-1А. новое месторождение Олений Ручей расположено в крайней юговосточной части Хибинского массива в долинах ручьев Минерального и Оленьего на расстоянии 22 км от города Киров-ска Мурманской области. С северо-востока оно примыкает к Ньоркпакхскому месторождению, разрабатываемому Восточным рудником ОАО «Апатит». Месторождение приурочено к склонам гор Ньоркпахк, Суолуайв и Коашкар. Абсолютные отметки рельефа находятся в пределах +300 ч +700 м. Запасы Оленьего Ручья составляют порядка 392 млн т, и будут отрабатываться как открытым, так и подземным способом в течение приблизительно 60 лет.
Сложные условия отработки подземных запасов месторождения Олений ручей при действии в массиве тектонических сил, гористом рельефе поверхности и наличии в непосредственной близости двух карьеров на момент начала работ предопределяют при выборе технологических систем разработки задачу адекватной оценки напряженно-
деформированного состояния (НДС) рудного и вмещающего массива горных пород. Одним из эффективных методов такой оценки является математическое моделирование. После создания математической модели месторождения с ее помощью можно имитировать различные схемы отработки запасов полезных ископаемых, изменять параметры технологических элементов систем разработки и выбирать из них оптимальные с точки зрения геомеханического состояния породного массива.
На основе анализа горно-геологии-ческой и геомеханической информации разработаны численные модели для расчета напряженно-деформированного состояния массива месторождения Олений ручей на нескольких масштабных уровнях. Расчеты выполнялись методом конечных элементов в объемной постановке с использованием программного комплекса Sigma3D, разработанного в Горном институте КНЦ РАН [1].
Для обоснования физической модели среды выполнен анализ имеющихся данных о прочностных и упругих харак-
теристиках руд и пород [2]. На основании анализа абсолютных значений показателей и их изменений при нагрузке, можно сделать вывод об упругом их деформировании пород вплоть до разрушения. На первом этапе была создана мелкомасштабная модель, границы которой выбраны в соответствии с принципом Сен-Венана, согласно которому влияние особенности распространяется на расстояние, не превышающее трех ее характерных размеров. Таким характерным размером в нашем случае можно считать радиус созданных и планируемых очистных пространств, а расстояние до границы составит не менее трех радиусов. Зона влияния отработки подземных запасов месторождения Олений ручей пересекается с зонами влияния Ньор-кпахкского карьера и карьера Олений ручей, поэтому необходимо их совместное включение в исходную численную модель. В итоге размер области моделирования составил 9360x6000x2500 м с учетом отработанных пространств Ньор-кпахкского карьера, примыкающего к нему рельефа дневной поверхности, основных разрывных нарушений. В модели учтены различия в упругих и плотно-стных характеристиках руды и вмещающих пород. В целом расчетная область была разбита на 104 832 конечных элемента. Область моделирования в плане приведена на рис. 1.
Граничные условия для мелкомасштабной модели задавались на основе данных о трех зонах действующих в массиве напряжений [2], согласно которым, для массива пород, вмещающего месторождение Олений ручей, максимальная компонента напряжений ориентирована параллельно или субпараллельно простиранию рудной залежи, а абсолютные величины: до глубины 400 м - атах < 20 МПа, на глубине от 400 м до 1000 м - 20 МПа < сттах < 40 МПа, бо-
лее 1000 м - сттах > 40 МПа. Получить подобную картину распределения стмах оказалось возможным при следующих граничных условиях (рис. 2). На северовосточную границу приложены усилия Т, возрастающие от 2 МПа на дневной поверхности до 40 МПа на нулевой отметке и 65 МПа на уровне дна модели; на юго-восточной границе задавали - кТ на тех же высотных плоскостях, где к =
0,65 - коэффициент бокового отпора.
В результате мелкомасштабного моделирования с учетом основной горногеологической и геомеханической информации получено исходное поле напряжений в районе месторождения Олений ручей, которое характеризуется как высоконапряженное (значения от 35 до 50 МПа) с ориентацией амах по простиранию рудных тел в высотных отметках будущих подземных горных работ. В связи с этим можно дать общую рекомендацию о расположении отбиваемых секций по простиранию рудной залежи. С помощью данной модели была определена область влияния выемки подземных запасов в отметках +200 ч -200 м на исходное поле напряжений и определены границы крупномасштабной расчетной схемы. В качестве критерия принимали отличия в перемещениях в узлах расчетной области для ненарушенного массива и массива, содержащего отработанные пространства не более 5%.
Создание крупномасштабной модели проводилось с учетом планируемых технологий отработки подземных запасов, а именно: система с открытым очистным пространством для верхних горизонтов (в отметках +200 ч 0 м) и система с обрушением подработанных пород (в отметках 0 ч -200 м).
Высотные отмё'Тн:м
- 150
- 200
- 250 300 350
- 400 450
- 500
- 550 ьОО
- 650 700
- 750
- 800 - 850
Реальное полсн ение разломов
Положение разломов в модели
Праницы модели, этап I
Праницы нодрлыы этап II
Контнры ыапьепов
Контор родньп тел пор, — 10 0 [ ■ 1
А'їннн пеодезнцескоп сетки координат
Рис. 1. Вид областей первого и второго этапа моделирования в плане
750
250
§ -250
ш
л
х
о
2
о
15 -750
X
2
с
о
ю
-1250
-1750 -I-^-^^^^------------ ф ----
0 10 20 30 40 50 60 70 80
значения усилий, МПа
Численные эксперименты были направлены на решение следующих конкретных задач:
• геомеханическое обоснование размеров камер и целиков по результатам объемного моделирования;
• оценка необходимых параметров обнажений для перехода к системе с обрушением подработанных пород;
• оценка вероятности обрушения налегающей толщи до поверхности;
• прогноз устойчивости этажных выработок в процессе отработки подземных запасов.
Для решения первой задачи оценивали изменение НДС по мере развития работ, как в окрестностях камер, так и непосредственно в межкамерных и межэ-тажных целиках. В качестве исходных размеров камер и целиков брали предложенное технологами соотношение 60 м и 20 м соответственно. Анализ расчетных данных позволил сделать вывод о том, что данные размеры камер и целиков являются допустимыми по уровню напряжений, не превышающему в
Рис. 2. Схема задания усилий
целиках 5 МПа, что составляет «0.5 асж (где асж - предельное значение сжимающих напряжений). Возможно и уменьшение размера целиков до 10-14 м при их погашении из полевых выработок без захода людей в очистное пространство. Выявлена особенность геомеханиче-ской ситуации при отработке двух верхних этажей системой с открытым очистным пространством, заключающаяся в формировании зоны максимальных концентраций напряжений в междупластье. На рис. 3 представлено распределение максимальной компоненты напряжений при отработке трех камер на первом этаже и одной на втором.
Для обоснования перехода к системе с обрушением пород кровли на нижних горизонтах, где рудные тела характеризуются большей мощностью, необходимо было определить параметры очистного пространства при отработке двух верхних этажей камерно-целиковой системой, при которых создаются условия для достаточного заполнения очистного пространства обрушенными породами. То есть объем пород, вероятность обрушения которых близка к единице, должен быть с учетом разрыхления обрушенной массы приблизительно в 1.5 раза меньше объема очистного пространства.
Обрушение подработанных пород в тектонически нагруженных массивах можно рассматривать на основе теории разрушения отрывом сжатых скальных пород. Вопросы этой теории исследовались в механике деформируемого твердого тела и в прикладных исследованиях [3, 4 и др.]. Прогноз зон, склонных к обрушению, проводили с учетом действующего поля напряжений по методике прогнозирования параметров обрушений налегаю-
а)
б)
+2 00м
г*. 1 И"- гхг^Ь 45 /4о \ \ -\ + 120м
0 л_Г
я »г 35 )ок (.--45] [ о~*°ъ ' - ■■ ) !>■ О 0м
ри р!2 р13 р14 р15
нЗООм
+200м С ^ 35
+120м к ъ К тй ч
+100м - .
40 Ом "о л £ ТЬй Я ^-^4 40
ЭОм Ом V +100м С_Г —л о V +200м +300м +400м \ +500м N
Рис. 3. Распределение амах при отработке трех камер на этаже +100 м и одной на на этаже 0 м в сечении а) по простиранию рудной залежи б) вкрест простирания рудной залежи
щих пород в скальных массивах, основанной на численном моделировании объемного напряженно-деформированного состояния и использующей критерии разрушения как по абсолютным значениям растягивающих деформаций, так и по ориентации их площадок с учетом нару-шенности пород [5].
Так как на текущий момент существует дефицит информации о местонахождении и направлении естественных трещин и ослабленных зон в массиве пород месторождения Олений ручей, то достаточным для прогноза обрушений считали выявление зон растягивающих деформаций с \з3Ц >ср, в которых ориентация трещин отрыва будет способствовать реализации самообрушения пород в очистное пространство. Здесь е3 -максимальные растягивающие деформации, Е - модуль упругости соответствующего типа породы, ар - предел прочности породы на растяжение (10 МПа для подработанной толщи).
Для определения параметров очистного пространства, при которых 1.5 х Уобр > Ук или Уобр > 0.66 х Ук, где Уобр - объем обрушенных пород, Ук -объем камеры, с использованием деформационного критерия прочности
были рассчитаны объемы обрушенных пород в каждом вертикальном 20метровом слое модели, секущем очистное пространство - сумма таких объемов и составляет искомый объем пород
Уобр=2 у.
По результатам проведенных численных экспериментов был сделан вывод о том, что условия для достаточного заполнения очистного пространства обрушенными породами, и тем самым для перехода к системе с обрушением подработанных пород, создаются при отработке пяти секций на этаже +100 м и трех секции на этаже 0м и погашении межкамерных и межэтажных целиков. В этом случае объем пород, склонных к обрушению, составит 0,7 объема образовавшегося очистного пространства. На рис. 4 представлено распределение изолиний е3Е и ориентировка площадок, на которые они действуют в сечении вкрест простирания рудной залежи по центру созданного обнажения для соответствующего расчетного варианта.
Видно, что зона максимальных растягивающих деформаций, превышающих предел прочности породы на растяжение, охватывает площадь, приблизительно
Рис. 4. Распределение е3Е в вертикальном сечении вкрест простирания рудной залежи после погашении межкамерных и межэтажных целиков а) изолинии в3Е б) ориентация вероятных трещин отрыва (пунктирной линией выделена зона вероятного самообрушения пород в очистное пространство)
равную площади очистного пространства. Причем ориентировка вероятных трещин отрыва близка к ортогональной по отношению к контакту рудного тела, который в данном случае является кровлей камеры. Такое направление площадок будет способствовать обрушению и заполнению очистной выемки породами. Подобная картина наблюдается и в других сечениях, секущих очистное пространство с некоторыми вариациями параметров зоны вероятного частичного обрушения подработанных пород. Суммирование искомых объемов по слоям показывает, что для данного варианта Уобр~0.7 Ук, что является достаточным для перехода к системе с обрушением на нижних горизонтах.
Важно было также оценить вероятность самообрушения подработанных пород до поверхности. Если частичное обрушение пород в очистное пространство обеспечивает эффективность и безопасность работ на данном этапе, то полное обрушение налегающей толщи до поверхности является
крайне негативным фактором. Известно, что форма проявления, характер развития и параметры процесса сдвижения горных пород и дневной поверхности зависят от следующих основных факторов: формы и размеров выработанного пространства; физикомеханических свойств вмещающих пород; угла падения залежи; структурных особенностей массива (трещиноватость, тектонические разрывы, ослабленные зоны); глубины разработки; рельефа местности; величины и направления действия тектонических сил; сейсмического воздействия массовых взрывов; собственной сейсмичности массива и др. Оценивали деформированное состояние подработанной толщи в процессе отработки рудной залежи вплоть до отметки -200 м. Таким образом, при достижении подземными горными работами отметки -200 м и подобном распределении деформаций можно предположить частичное самообрушение пород в очистное пространство и появление локальных зон плавных сдвижений на днев-
Категории сстояния выработок Напряженное состояние Формы проявления горного давления
в устойчивых породах ^к) в среднеустойчивых породах (Пк) в слабоустойчивых породах (Шк)
А стд<0.3стсж - - Выработка сохраняет устойчивость (разрушения и отслоения не наблюдаются)
Б - стд<0.3стсж в породах IV, V категорий по трещиноватости Вывалы по трещинам
В 0.3 стсж<ст д<0.5 стсж в породах I - III категорий по трещиноватости Постепенное хрупкое разрушение пород на контуре в виде шелушения и плитчатого расслоения пород, отслоения по трещинам
Г 0.5стсж<стд<0.8стсж в породах ИИ категорий трещиноватости - Стреляние пород, динамическое заколообразование, интенсивное шелушение пород
Д стд>0.8стсж в породах ИИ категорий трещиноватости - Интенсивные стреляние пород и динамическое заколообразование, возможны микроудары и горные удары.
ной поверхности вблизи долин и у дна карьерных выемок. Полное обрушение пород до поверхности маловероятно в силу следующих причин: большая мощность подработанной толщи (минимум 400 м), четырехстороннее опирание и наличие тектоники. Сумма этих факторов приводит к образованию в подработанных породах обширной зоны с суб-горизонтальной ориентировкой предположительных трещин отрыва, тормозящей процесс выхода разрушений на дневную поверхность. Многое также будет зависеть от исходной нарушенно-сти налегающей толщи в районе отработки подземных запасов, так как ее наличие снижает предел прочности пород на растяжение. По мере уточнения прочностных характеристик руды и вмещающих пород необходимо проводить текущие прогнозы деформирован-
ного состояния и уточненную оценку параметров зон возможного приповерхностного нарушения массива пород.
Оценка устойчивости выработок по результатам прогноза напряженного состояния массива пород проведена по показателю отношения действующих напряжений на контуре выработки к прочности пород при одноосном сжатии ад /исж (таблица) [6]. Напряжения на контуре выработки вычислялись по специально разработанной методике, учитывающей все три компоненты главных напряжений и девять углов их наклона относительно осей выработок. Анализ прогнозного состояния этажных выработок показал, что оно будет характеризоваться категориями от А до Г при тенденции роста удароопас-ности на более глубоких горизонтах.
Уровень действующих напряжений на контуре выработок ортового направления более высокий и достигает на горизонте -200 м при приближении к нему очистных работ 0.7асж, причем зоны с уровнем удароопасности Г занимают значительные площади.
Выработки штрекового направления находятся в лучших условиях, но и их состояние по мере отработки месторождения на некоторых участках будет соответствовать категории Г (до
1. Козырев А.А., Семенова И.Э., Шестов А.А. Компьютерная технология моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в системе Sigma3D. Сборник докладов международной конференции «Роль геомеханики в устойчивом развитии горной промышленности и гражданского строительства», Несебыр, Болгария, 2007 - С. 121-127.
2. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах. Часть1 // Апатиты, Изд-во КНЦ РАН, 1996.
3. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996. - 166 с.
0.6стсж), однако протяженность таких участков меньшая, чем для ортов.
Таким образом, на основании прогнозной оценки напряженно-деформированного состояния проведено геомеханическое обоснование безопасных параметров систем разработки и последовательности ведения горных работ на перспективном апатитонефелиновом месторождении Олений ручей.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов. - М.: Недра, 1983. -280 с.
5. Семенова И.Э. Методика прогноза об-
рушений по результатам численного моделирования деформированного состояния подработанных пород// Москва: МГГУ, 2006 г. - приложение к №4 Горного информационно-аналитического бюллетеня - 14 с.6.
Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. - Апатиты, 2002. - 97 с.
Н1ГЛ=1
г Коротко об авторах
Козырев А.А. - профессор, доктор технических наук, заместитель директора, Семенова И.Э. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Земцовский А.В. - младший научный сотрудник,
Горный институт КНЦ РАН, root@goi.kolasc.net.ru
