Геомеханическое обоснование выемки запасов в слое при восходящей отработке подкарьерных запасов рудника «Айхал» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------- © В.Д. Барышников, Л.Н. Г ахова,

А.П. Филатов, Н.А Черепнов,

2007

УДК 622:831

В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова, А.П. Филатов,

Н.А. Черепнов

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫЕМКИ ЗАПАСОВ В СЛОЕ ПРИ ВОСХОДЯЩЕЙ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХЗАПАСОВ РУДНИКА «АЙХАЛ»

'ИУ% имберлитовая трубка «Айхал» АК-«АЛРОСА» отработа-

-Л\- на карьером до глубины 325 м от поверхности. По проекту дальнейшая выемка запасов ниже дна существующего карьера предусматривается с применением слоевой системы разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства. Согласно принятым техническим проектом решениям безопасная глубина ведения очистных работ под отработанным карьером принята равной 25 м. Для снижения риска затопления горных выработок по проекту разрезка северо-восточного рудного тела (СВРТ) произведена путем первоочередной выемки 3-го слоя по камерно-целиковой схеме (рис. 1), т.е. первоначально сформирована потолочина толщиной 35 м. В случае благоприятной гидрогеомехани-ческой ситуации планируется последовательно отработать в восходящем порядке слои 2^1. При этом отметка кровли слоя 1 будет совпадать с границей опасной зоны. Для ведения закладочных работ отработанного пространства в рудном массиве пройден вентиляционно-закладочный штрек (ВЗШ) в отм. +163 г +175 м. Размер предохранительного целика над ним принят 8,5 м.

Комплексный геомеханический анализ состояния массива в процессе отработки разрезного слоя показал [1, 2], что численные расчеты, моделирующие этапы отработки запасов ниже дна карьера, позволяют оптимизировать визуальные и инструментальные наблюдения за состоянием конструктивных элементов системы разработки с точки зрения выбора места расположения замерных станций и контролируемых параметров.

Рис. 1. Вертикальный разрез по оси ВЗШ (а) и по оси орта N2 (б) СВРТ

Рис. 2. Вертикальные (а) и горизонтальные (б) напряжения (МПа) в районе орта N2 в подкарьерном массиве после отработки слоя 3.

Для анализа геомеханического состояния очистных выработок и рудной потолочины проведена серия численных расчетов, выполненных методом граничных интегральных уравнений в плоской и трехмерной постановках [3]. Механические свойства массива заданы по результатам испытаний кернов кимберлита, отобранного из геологоразведочных скважин на отм. +180 м. Средние значения

прочностных и упругих характеристик кимберлита: «12 МПа

, Гср «1,1 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,25; модуль Юнга Е =

10 ГПа. Исходное напряженное состояние массива горных пород в расчетной модели принято следующее: вертикальные напряжения

Гв = уН , горизонтальные Гг = ХуН при X = 0.5.

На рис. 2 показана картина изолиний вертикальных (ау) и горизонтальных (ах) напряжений в рудной потолочине (по вертикальному сечению вдоль орта N2 на отм. +165 м) после полной отработки слоя 3 с учетом реальной геометрии дна карьера. При практически полной разгрузке от вертикальных напряжений (рис. 2, а) повышенная концентрация ах (рис. 2, б) отмечается под дном карьера (размер зоны запредельного деформирования в рудной потолочине составляет 5-6 м ниже дна карьера), а также в кровле слоя 3 на СЗ фланге рудного тела. Величины ах в кровле центральной части слоя не превышают -1 + -2 МПа.

-25

-15

15

25

L,м

-9

Рис. 3. Эпюры горизонтальных напряжений в кровле при полной отработке слоя 3 и слоев 3 и 2

5

Представленные на рис. 3 эпюры сх свидетельствуют о том, что величины сжимающих напряжений в кровле слоя 2 после выемки слоев 3^2 возрастают на 1-1,5 МПа по сравнению с напряжениями в кровле слоя 3 после его отработки, но не превышают прочность руды на сжатие. Наиболее сложная ситуация возникает на участке кровли вблизи СЗ и ЮВ контактов рудного тела (в 5 метрах от контакта рудного тела, где величины сх сравнимы с ссж = 8 *12 МПа).

На рис. 4, а приведены изолинии горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве при отработанном и заложенном 3 слое и выемке центральной заходки 2-го слоя, ориентированной по простиранию рудного тела. При полной разгрузке от действующих на этой глубине вертикальных напряжений сх в кровле одиночной центральной заходки достигают 7-7,5 МПа. Т.к. расположение за-ходок в подкарьерном массиве вкрест простирания рудного тела приводит к снижению уровня горизонтальных напряжений в их кровле на 20-25 % [4], то при отработке заходок 1-й очереди в направлении вкрест простирания рудного тела устойчивость их кровли будет выше, чем в ориентированных по простиранию.

При отработке слоя 2 в 3 очереди данный вывод по ориентации заходок будет иметь значение и для устойчивости заходок

Рис. 4. Горизонтальные напряжения (МПа) в подкарьерном массиве при отработанном 3 слое и выемке заходки 2-го слоя, ориентированной по простиранию рудного тела, в центре рудного тела (а) и на его фланге (б)

2-й очереди. Влияние ориентации на устойчивость заходок 3-й очереди практически не сказывается, их устойчивость определяется размерами рудного тела вкрест и по простиранию.

При ориентации очистных заходок вкрест простирания рудного тела в локальном проекте института «Якутнипроалмаз» предусмотрена проходка разрезного штрека по СЗ контакту рудного тела с вмещающими породами. Ранее при отработке слоя 3 институт «Гипроникель» предложил располагать разрезной штрек в рудном массиве на удалении до 5 м от контакта с вмещающими породами.

Для оценки состояния штрека по данным вариантам проведены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) в его окрестности. Анализ полученных результатов показал следующее.

1. Расположение разрезного штрека по контакту рудного тела приводит к формированию зоны запредельного деформирования в его кровле и породном борту (рис. 4б), что создает в последующем серьезные проблемы с обеспечением его устойчивости. Разрушения породного борта во времени за счет повышенных вертикальных напряжений и ослаблений массива трещинами эквивалентно увеличению пролета штрека. Последующее формирование сопряжений при отработке очистных заходок еще больше усугубляет геомеханическую ситуацию в кровле штрека за счет увеличения его пролета, что приведет к дополнительным затратам на поддержание штрека.

2. При размещении штрека на удалении до 5 м от контакта (рис. 5, а) геомеханическая ситуация в рудном борту со стороны вмещающих пород значительно улучшится, в то время как в кровле штрека принципиальных изменений по сравнению с первым случаем не происходит (отмечается незначительное уменьшение напряжений, величина которых, тем не менее, превышает асж).

Вышеизложенное свидетельствует о том, что для повышения устойчивости разрезного штрека первоначально его следует проходить по контуру рудного тела с последующей закладкой. После набора прочности закладки «вприсечку» с ранее пройденным формируется новый разрезной штрек. Проведенные расчеты показали (рис. 5б), что при таком варианте размещения штрека в его кровле не формируется зона повышенной концентрации напряжений (за счет его удаления от сопряжения слоя с вмещающими породами), приводящая к расслоению рудного массива. Борт из твердеющей закладки сохранит свою устойчивость на время отработки слоя и не приведет к увеличению пролета обнажения (ширины штрека) рудного массива.

б)

Рис. 5. Горизонтальные напряжения (МПа) в покарьерном массиве:

а - при проходке разрезного штрека 2-го слоя; б - при отработке заходки вдоль разрезного штрека

Наблюдения за устойчивостью рудного массива в кровле очистных заходок подсечного слоя 3 показали, что обрушения в кровле

наиболее характерны для заходок 1-й очереди (за счет повышенной концентрации горизонтальных напряжений,

га

с

-2

-4

-6

этап отработки 4

-8

-10

-12

-заходка 1 (СЗ) .

-заходка 2 (центральная)

заходка 3 (ЮВ)

1 этап - в слое 2 отработана одна заходка первой очереди

2 этап - в слое 2 отработаны заходки первой очереди через одну

3 этап - в слое 2 отработаны заходки первой очереди через две

4 этап - в слое 2 отработаны заходки первой очереди через три

0

0

1

2

3

Рис. 6. Эпюры горизонтальных напряжений в кровле заходок (1, 2, 3) при отработке первичных заходок слоя 2

превышающих асж); при отработке заходок 2-й и, особенно, 3-й очереди величины горизонтальных напряжений в кровле снижаются, что обеспечило более устойчивое её состояние. Наиболее сильные проявления обрушений кровли отмечены в рудном массиве, представленном более слабой по прочности кимберлитовой туфобрек-чией; более устойчивы очистные заходки в автолитовой кимберли-товой брекчии.

Оценка НДС кровли очистных заходок 1-й очереди слоя 2 проведена по результатам расчетов, выполненных для наиболее неблагоприятной их ориентации (по простиранию рудного тела), что обеспечивает верхнюю оценку по фактору напряженного состояния (рис. 6). Ситуация в кровле первичных очистных заходок более благоприятная, чем в заходках 1-й очереди в слое 3, т.к. величины напряжений здесь не превышают ссж. Однако, в условиях разгрузки рудного массива от вертикальных напряжений при невысоких го-

ризонтальных напряжениях, разрушения в кровле возможны за счет потери устойчивости кимберлита вследствие природной и техногенной

га § Е 5 о о га § Е 5 о 2 га § Е 5 О о

ЗЕ 5

У Я О " у га О " у га о "

Б

• _

>

____________Разрезной штрек_________________

Рис. 7. Расчетная схема для анализа НДС сопряжений разрезного штрека и очистных заходок

нарушенности, вызванной сводообразованием в кровле очистного пространства.

Схема организации горных работ камерно-целиковой системы разработки запасов слоя 2 предусматривает последовательную отработку очистных заходок и их закладку. При этом отработанная заходка, как правило, не будет полностью заложена.

Для оценки взаимовлияния закладываемой и отрабатываемой заходок на устойчивость их сопряжений с разрезным штреком проведем анализ формирования НДС в кровле сопряжений (точки А и Б на рис. 7) для различных схем отработки. Результаты численных расчетов (см. таблицу) свидетельствуют о том, что при расположении заходок через одну в кровле

Горизонтальные напряжения в кровле сопряжений разрезного штрека и очистных заходок (точки А, Б на рис. 7)

Конструктивный элемент стх, МПа

Точка А Точка Б

Выработка по простиранию рудного тела (вдоль его границы) -9,90

Выработка в крест простирания рудного -4,62

тела

Сопряжение разрезного штрека с очистной заходкой (одиночное) -3,11 -1,83

Сопряжения через 3 заходки -2,95 -1,71

Сопряжения через 2 заходки -1,12 -0,58

Сопряжения через 1 заходку -0,16 0,08

Рис. 8. Порядок отработки слоя № 2

их сопряжений с разрезным штреком появляются растягивающие напряжения, снижающие устойчивость кровли штрека. Оптимальным вариантом расположения заходок является размещение через три заходки, практически исключающее их взаимовлияние. На рис. 8 приведена рекомендуемая схема отработки запасов слоя N2. Выводы

1. Для условий рудника «Айхал» наиболее благоприятная ориентация заходок в слое 2 вкрест простирания рудного тела.

2. Более устойчивое состояние разрезного штрека достигается при его размещении «вприсечку» с ранее отработанной вдоль контакта с вмещающими породами и заложенной выработкой.

3. Отработку слоя следует вести в 4 очереди, т.к. повышение устойчивости сопряжений заходок с разрезным штреком может

быть достигнуто при расположении первичных заходок через три. Оптимальным с точки зрения обеспечения устойчивости заходок последней очереди отработки для СВ части запасов слоя является порядок их выемки от центра к флангам, для ЮЗ части - от фланга к зоне сужения рудной трубки.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1..Барышников В.Д., Гахова Л.Н. НДС подкарьерного массива в условиях слоевой отработки запасов ниже дна карьера // Труды междунар. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005 -С. 255-261.

2.Барышников В.Д., Гахова Л.Н., Крамсков Н.П., Черепное А.Н. Контроль состояния рудной потолочины при переходе от открытой к подземной разработке кимберлитовой трубки «Айхал» АК-«АЛРОСА» трубок // Труды междунар. конф. « Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика». - Бишкек, 2006. - С. 228 - 233.

3.Гахова Л.Н. Программа расчета напряженно-деформирован-ного состояния массива блочной структуры методом граничных интегральных уравнений (ELB2D). РосАПО. Свид. об офиц. регистр. №960814 от 17.12.2004.

4.Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Peculiarities of stress state formation near working in the transient zone from the open to underground deposit mining // Underground space and rock mechanics. - TA INGENEERING.-Moscow, 2005. - 177 -180. ЕШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------

Барышников В.Д. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Гахова Л.Н. - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

Институт горного дела СО РАН.

Филатов А.П. - кандидат технических наук, зам. главного инженера, Черепное Н.А. - главный маркшейдер,

АК «АЛРОСА».