CC BY
35
- © A.M. Григорьев, O.B. Зотеев,
А.Б. Макаров, 2013
УЛК 622.272
А.М. Григорьев, О.В. Зотеев, А.Б. Макаров
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ЯКОВПЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОД НЕОСУШЕННЫМИ ВОДОНОСНЫМИ ГОРИЗОНТАМИ
Рассмотрена система геомеханического мониторинга, реализуемого на Яковпевском руднике посредством контроля вертикальных смешений верхней границы выработанного пространства на подземной наблюдательной станции на основе расчёта сдвижений и деформаций массива для оценки текушего состояния водоупора.
Ключевые слова: геомеханический мониторинг, контроль вертикальных смешений, расчёт деформаций массива.
Яковлевское месторождение богатых железных руд (БЖР) в Белгородском районе КМА приурочено к древней коре выветривания железистых кварцитов и покрыто толщей осадочных пород каменноугольного, юрского, мелового, третичного и четвертичного возрастов. Средняя мощность осадочного чехла — 525 м. Гидрогеология месторождения представлена семью водоносными горизонтами, пять из которых характеризуются высокими гидростатическими напорами и значительно водообильны.
Сложность добычи БЖР на Яковлевском руднике обуславливается: значительной глубиной горных работ — разрабатывается этаж на глубине 600^650 м; геологическим строением залежи — неустойчивый массив рыхлых руд, склонный к вывалам, перемежается прослоями полускальных разностей руд; гидрогеологическими условиями — в нижней части осадочной толщи над рудным телом находится высоконапорный (давление до 3,5 МПа) каменноугольный водоносный горизонт регионального распространения (нижележащий руднокристалличе-ский водоносный горизонт, в котором расположена залежь БЖР и ведутся горные работы, осушен).
Основная проблема эксплуатации Яковлевского месторождения состоит в предотвращении прорыва воды из неосушенного
Рис. 1. Поперечный гидрогеологический разрез: статические (1) и сниженные уровни нижнекарбонового (2) и руднокристаллического (3) водоносных горизонтов; 4 — отрабатываемый этаж БЖР
каменноугольного водоносного горизонта в горные выработки, что напрямую связано с сохранностью слабопроницаемых пород на отметках почвы карбонового горизонта (в среднем -300 м). Условный водоупор представлен глинистыми отложениями в подошве каменноугольных пород мощностью 0,2^31 м и плотными переотложенными рудами и карбонати-зированными бокситовыми образованиями в кровле руднокри-сталлической толщи мощностью от 0 до 60 м. Горные меры охраны рудника от затопления включают: оставление под во-доупором предохранительного целика из БЖР мощностью 65 м, полную закладку выработанного пространства твердеющими смесями и геомеханический мониторинг массива
Рис. 2. Принципиальная схема разработки нисходящей слоевой системой с закладкой на Яковлевском руднике
В качестве основной на Яковлевском руднике принята нисходящая слоевая система разработки с закладкой (рис. 2). Очистные заходки с габаритами 5,0^4,5 м в одном слое отрабатываются в 4 очереди. Добыча руды на Яковлевском руднике начата в 2007 г. с отработки нулевого слоя (потолочины) на глубине Н = 600 м (отметка -370 м) в 6 очистных блоках.
С началом промышленной эксплуатации месторождения встал вопрос о допустимых смещениях обводненной налегающей толщи. Анализ литературы [1—20] показал, что интенсивность процесса сдвижения налегающей толщи, величины возникающих в ней деформаций, высота зоны водопроводящих трещин, необходимая мощность предохранительного рудного целика под водоносным объектом — все параметры определяются, в первую очередь, величиной эффективной мощности залежи. Поэтому в качестве основного средства мониторинга массива Яковлевского рудника принят инструментальный контроль оседаний массива руды на верхней границе выработанного пространства (нижней границы рудного целика). Главной целью мониторинга является прогноз состояния условного во-доупора в почве каменноугольных отложений на основании расчетов его деформаций, в которых исходными данными являются результаты натурных наблюдений за сдвижением верхней границы отработки БЖР.
В 2007 г. начаты натурные наблюдения за оседанием горных пород на подземной наблюдательной станции в выработках нулевого слоя на гор. -370 м. Рабочие репера конструкции Санкт-Петербургского горного университета закладывались в вертикальных скважинах на 9 м выше кровли выработок (за пределами зоны разуплотнения руды). Опорные репера установлены в крепких скальных породах лежачего бока. По мере расширения фронта горных работ подземная наблюдательная станция площадного типа постоянно дополняется новыми реперами.
При добыче руды системами с закладкой выработанного пространства зоны беспорядочного обрушения, разломов и крупных трещин не образуются [21, 22]. В таких ситуациях можно считать линейно-деформируемым весь налегающий массив и расчет состояния водоупора проводить методами линейной теории упругости, которые позволяют рассчитывать вертикальные и горизонтальные компоненты сдвижения горных пород и все виды деформаций массива в зоне плавного прогиба пород без разрыва их сплошности.
В первоначальных расчетах оседания кровли выработанного пространства на величину эффективной мощности задавались постоянными. По результатам натурных наблюдений на Яковлевском руднике картина оседаний кровли имеет типичный вид мульды (рис. 3). Поэтому для более точного расчета смещений и деформаций условного водоупора на почве кар-бонового водоносного горизонта оказались необходимы и были получены нами новые решения задачи теории упругости, в которых граничные условия задаются эпюрой оседаний кровли Ь(х), полученной экспериментально в натурных условиях и аппроксимируемой кусочно-линейной функцией.
Рассмотрены случаи слоя горных пород (налегающей толщи конечной мощности) и полуплоскости (достаточно большой ее мощности). Для решения получаемых краевых задач использованы интегральные преобразования Фурье. При назначении граничных условий рассмотрены два варианта их задания на контакте: полного сцепления — когда к задаваемым оседаниям дополнительно задаются нулевые горизонтальные смещения; проскальзывания — когда дополнительно задаются нулевые горизонтальные напряжения. Получаемые решения могут служить верхней и нижней оценкой прогнозных значений смещений.
Полученные соотношения имеют следующий вид: А) При сцеплении на контакте (и, V — горизонтальные и вертикальные смещения)
(x,y) = --L f2(1 ^)[(1 -2Vhf^ + f)]? f) • rRe((m)sin(fx)-V n 2n J (3-4v)sh2(H) + f2H2 + 4(1 -v)2 L
(m )cos (fx)] •Гке (m )Sin & y
1 ' V ^ 2n J (3-4v)sh2(fH) + f2H2 + 4(1 -v)2 L \ ) ^ '
- Im
- Im (m).co s (fx )] df + ^ Г(1 - 2v)[2(i-v)ch (fH ) + fHsh (fH )] sh (f ) • Vb^b 2^ J (3 - 4v)sh2 (fH ) + f2H2 + 4(1 -V)2
•Гке(m)sin(fx)-ImmW(fxydf-± ^(¿z^VfhifHl+fHchhifHllyfhifyl•
L ^ > У ' \ f 2n J (3 - 4v)sh2 (fH ) + f2H2 + 4 (1 -v)2
•j Re (m) sin (fx) - Im (m) cos (fx)] df
v (x, y (1 -V)[ 2 (1 -V)ch (fH ) + fHsh (fH )] c2h (fy ) •[Re (m)cos(fx) +
V n 2n J (3-4v)sh2(fH) + f2H2 + 4(1 -v)2 L v ' v'
I (m) . ( )] df 1 °°f[(1 - 2v)sh(fH) + fHch (fH)] ych(fy) [r (m) ( )
+ Im (m )sin (fx) I df +- I—--—------—-Л Re (m )cos (fx) +
W V^;^ 2n J (3 - 4v)sh2 (fH ) + f2 H2 + 4 (1 -v)2 L v ' v'
I ( ) ■ f )] df 1 d2(1 - v)ch(fH) + fHsh(fH)]ysh(fy) [r (m) ( ) +Im(m)sin(fx)]df-J (3-4v)sh2(fH) + f2H2 + 4(1 -v)2 '[Re()coS(fx) +
+Im (m )sin (fx)] - 2V)[(1" V) Sh (H ) + fHch (H)] ? f} •
W 2n J (3-4v)sh2fH) + (H2 + 4(1 -v)
•jRe (m) sin (fx) - Im (m) cos (fx)] df
Для смешений земной поверхности, т.е. при у = 0, остаются только первые интегралы в выражениях. Б) При проскальзывании на контакте
u (x, y) = —— I—-—y—(fyУ [ Re (m)sin (fx) - Im (m )cos (fx )]df +
' 2n J 2fH + sh (2fH) L V / У ' V / 1
1 (Т>И(£Н) + £НсИ(£Н)]усИ(£у) г Г) . ( ) т Г) ( .
+] г Ке (т Ь (£)-тт (т н ИК+
-2У)[зИ£^(£у)г(тц£ - тт£)Ъ£ -2п J (1 -г)[2£Н + зИ(2£Н)] [ V > у ' V > у
-— Г (Н )узИ(£у) Гке (т) э1п (£х)- 1т (т) соэ (£х)У£
2^(1 -^)[2£Н + зИ(2£Н)][ ^ ' У ' \ ' 1 ^
• (х-у )■ [ (т)»(ах-)+тт (т )т а )]а
+¿{о 1УСИ(У))) ^ (т Ь (аХ) + "т (т Н"(ах ^
- )(т )°о- (ах)+-(т Ь (ах )*-
1 Г\£НсИ(£Н) + зИ(£Н)]узИ(£у)г Г] . ) . . )Ъ,
--Н—-—----—-\ Ке(т|со8(£х) + 1т(тЬп(£х) У£
2п ] (1 - У)(2£Н + зИ(2£Н)) [ ^ > У ' ^ / 1 ^
где в обоих случаях Н, у — глубины горизонтов задаваемых и рассчитываемых смещений, х — горизонтальная координата, V — коэффициент Пуассона, и для каждого задаваемого участка (х, у) — (х+1, у) длиной 2Ь с оседаниями т, щ+1 в концах участка
Ке
(т) ■ (
^)
£
1т (т) =
£
£
3 (£)
В случае большой глубины разработки (случая полуплоскости) интегралы выражаются через элементарные функции.
Для практических расчетов составлена программа, в которой, кроме непосредственного вывода горизонтальных и и вертикальных V смещений, горизонтальных ех и вертикальных еу
-0,120 -----
Рис. 4. Результаты натурных наблюдений за оседаниями (в метрах) и их расчетные значения
деформаций, наклонов I и кривизн Кр в виде табличных значений, изолиний в задаваемой расчетной области и эпюр по горизонтам, предусматривается возможность экспорта всех данных в Excel или Surfer для сравнения получаемых результатов.
Для оценки применимости полученных результатов и их сопоставления выбраны наблюдения в шахте и на земной поверхности по изменению оседаний за период с мая по сентябрь 2012 г. (рис. 4).
Для сохранности водоупора критичными являются деформации растяжения, которые могут привести к образованию водопроводящих трещин, если они превысят предельное значение. Горизонтальное растяжение может привести к образованию наиболее опасных вертикальных трещин разрыва, секущих слой водоупора. Именно они в первую очередь создают в нем водопроводящие каналы. Вертикальное растяжение способно вызвать расслоение водо-упора по горизонтальным трещинам. В качестве критерия образования техногенных трещин приняты данные НТЦ НОВОТЭК [15], полученные для вмещающих пород железорудных месторождений. Критические горизонтальные деформации растяжения для условий Яковлевского месторождения приняты равными екр = 0,008.
eap-i) вар-i)
t)Op i)
eap-i)
Рис. 5. Горизонтальные БрэХ и вертикальные БрэУ прогнозные деформации почвы карбона; (+) — растягивающие деформации
Расчет горизонтальных ех и вертикальных еу деформаций в среднем сечении мульды по накопленным на 3.12.2012 г. оседаниям подтверждает удовлетворительное состояние водоупора (рис. 5).
По мере дальнейшего накопления фактических данных по сдвижению земной поверхности и их увязки с результатами наблюдений на подземной наблюдательной станции появляется реальная возможность введения в систему геомеханического мониторинга еще одного инструмента — наблюдений за сдвижением земной поверхности, по результатам которых также можно будет рассчитывать деформации водоупора для оценки его состояния.
Данное направление развития мониторинга массива на Яковлевском руднике является весьма перспективным, т.к. возможности наблюдений за оседаниями в подземных горных выработках весьма ограничены. А на земной поверхности можно развить наблюдательную сеть любой плотности. Тогда уникальный, не имеющий аналогов в мировой практике опыт разработки БЖР под водоносными горизонтами получит достойное его описание геомеханических процессов. Учитывая, что Яковлевский рудник является пилотным проектом добычи БЖР, а также большой ресурсный потенциал Белгородского района КМ А (более 7 млрд т), предложенное направление
0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 -0,0005 -0,0010 -0,0015 -0,0020
;g7~ 0 Т? У""* г с 0 зс 0 4С ю \й< 10 7j 0 90
развития геомеханического мониторинга является весьма актуальным.
Заключение
Система геомеханического мониторинга, основной задачей которого является обеспечение безопасности подземных горных работ, реализуется на Яковлевском руднике посредством контроля вертикальных смешений верхней границы выработанного пространства на подземной наблюдательной станции на основе расчёта сдвижений и деформаций массива для оценки текушего состояния водоупора.
-СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геомеханический литомониторинг обводненных массивов / Жу-рин С.Н. [и др.]. — М.: НИА-Природа, 1997.
2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. — СПб.: Изд-во ВНИМИ, 1998.
3. Гелашвили Г.М. Исследование процесса сдвижения горных пород и земной поверхности в связи с подработкой водотоков (на примере Ткварчель-ского месторождения): автореф. дис. ... канд. техн. наук / Г.М. Гелашвили. — Тбилиси, 1968.
4. Кацнельсон H.H. Степень зависимости безопасной глубины подработки водных объектов от вынимаемой мошности пласта: Сб. трудов / Н.Н. Кацнельсон. — СПб.: ВНИМИ — № 83.
5. Безопасная выемка угля под водными объектами / Б.Я. Гвирцман [и др.]. — М.: Недра, 1977.
6. Гусев B.H. Геомеханика техногенных водопроводяших трешин / В.Н. Гусев. — СПб.: СПбГГИ, 1999.
7. Хохлов H.B. Безопасная разработка месторождений полезных ископаемых под водоёмами / И.В. Хохлов. — М.: Недра, 1971.
8. Земисев B.H. О характере зависимости высоты зоны водопроводяших трешин над выработанным пространством от глубины разработки / В.Н. Земисев, Б.Я. Гвирцман // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — № 6.
9. Геомеханические аспекты сдвижения горных пород при подземной разработке угольных и рудных месторождений / А.Г. Акимов [и др.]. — СПб.: ВНИМИ, 2003.
10. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод // СНиП 2.06.14—85. Госстрой России, ГУП ЦПП, 1998.
11. Викторов С.Д. Сдвижение и разрушение горных пород / СЛ. Викторов, М.А. Иофис, С.А. Гончаров. — М.: Наука, 2005.
12. Петухов H.A. Современные методы прогнозирования сдвижений и деформаций в сложных условиях / И.А. Петухов, В.Н. Земисев, Ю.Б. Файн-штейн // Труды ВНИМИ. — СПб., 1981.
13. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива / В.Н. Земи сев. — М.: Недра, 1973.
14. Авершин С.Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках / С.Г. Авершин. — М.: Углетехиздат, 1947.
15. Выполнить обоснование безопасных условий отработки Яковлевско-го железорудного месторождения под неосушенным нижнекарбоновым водоносным комплексом без сооружения водонепроницаемых перемычек. Согласование результатов в Госгортехнадзоре России: отчет. — Белгород: НОВОТЭК, 2004.
16. Методические положения по расчету и обоснованию параметров зон сдвижения при открыто-подземной отработке алмазосодержащих месторождений. — М.: ИПКОН РАН, 2001.
17. Инструкция по ведению горных работ в условиях остаточных напоров подземных вод на шахтах СУБРа. — Североуральск, 1999.
18. Шадрин М.А. Определение зоны водопроводящих трещин и проницаемости подработанной толщи пород / М.А. Шадрин, Н.А. Платонова // Горный журнал. — 2004. — № 3.
19. Шадрин А.Г. Теория и расчет сдвижений горных пород и земной поверхности / А.Г. Шадрин. — Красноярск: Изд-во КГУ, 1990.
20. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд / Д.М. Казикаев. — М.: Изд-во МГГУ, 2009.
21. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыбаева. — М.: Недра, 1968.
22. КазаковскийД.А. Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок / Д.А. Казаковский. — М.: Углетехиздат, 1953.
23. Красовский А.Н. Расчет сдвижений горных пород под влиянием подземных разработок над горизонтальными выработками / А.Н. Кра-совский // Осушение месторождений, специальные горные работы, рудничная геология, маркшейдерское дело / ВИОГЕМ. — Белгород, 1975.
24. Макаров А.Б. Управление сдвижением горных пород при разработке пологих залежей под охраняемыми объектами / А.Б. Макаров, М.Э. Слоним, Э.В. Файдель // Горный журнал. — 1990. — № 11.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Григорьев Александр Михайлович — кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный технический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород,
Зотеев Олег Вадимович — доктор технических наук, профессор, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, zoteev. omail.ru, Макаров Александр Борисович — доктор технических наук, профессор, SRK-consalting-Russia
