CC BY
24
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.50-56 УДК 622.831
ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ ЛОВОЗЕРСКОГО РЕДКОМЕТАЛЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ*
А. В. Ловчиков
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН
Аннотация
Рудник «Карнасурт», эксплуатирующий Ловозерское редкометалльное месторождение, обладает рядом специфических горно-геологических условий: отрабатывает две пластообразные пологопадающие, согласно залегающие рудные залежи (каждая мощностью 1,2 м) в массиве крепких, устойчивых горных пород. В массиве рудника действуют современные горизонтальные тектонические напряжения, превосходящие напряжения от веса толщи налегающих пород в 4-6 раз. С глубины 400 м запасы рудника отнесены к склонным и опасным по горным ударам. В работе рассмотрен ряд предложений по обеспечению устойчивости пород и предотвращению опасности горных ударов в выработках при эксплуатации рудника. Ключевые слова:
тектонические напряжения, устойчивость выработок, целики, опасность горных ударов.
DEVELOPMENT OF THE LOVOZERO RARE-METAL DEPOSIT: INNOVATIVE SOLUTIONS FOR ROCK PRESSURE MANAGEMENT
Alexander V. Lovchikov
Mining Institute KAS RAS
Abstract
The Karnasurt mine, which produces the Lovozero rare metal deposit, has a number of specific mining and geological conditions: it develops two tabular gently falling 1,2 m thick ore bodies in the strong stable rock mass. In the mine rock mass, modern horizontal tectonic stresses act, surpassing the stresses from the weight of the overlying strata by 4-6 times. From a depth of 400 m, the mine reserves are classified as prone to rockbursts and rockburst hazardous. The paper reviews a number of proposals to ensure the rocks stability and prevent the rockburst hazard during the mine operation.
Keywords:
tectonic stresses, excavation stability, pillars, rockburst hazard. Введение
Ловозерское месторождение представлено свитой маломощных и средней мощности пластообразных пологопадающих рудных залежей. Рудник «Карнасурт», разрабатывающий месторождение, отрабатывает две согласно залегающие, пологопадающие (угол падения 10-15° к горизонту) рудные залежи (мощностью 1,2 м каждая, разделенные породным прослойком толщиной 90-110 м) в массиве крепких скальных пород. Прочность руд и пород, относящихся к классу нефелиновых сиенитов (луявриты, уртиты, фойяиты и др.), составляет Ос = (160-330) МПа, Ор = (6-12) МПа. Все породы — хрупкие и удароопасные. Породному массиву свойственна высокая естественная тектоническая напряженность: на достигнутых глубинах отработки максимальные горизонтальные тектонические напряжения имеют величину От = (-40...60) МПа и в 4-6 раз превышают вертикальные гравитационные напряжения от веса толщи покрывающих пород на соответствующей глубине. Схематический вертикальный поперечный разрез рудника
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 18-05-00563а.
«Карнасурт» представлен на рис. 1. Как видно из рис. 1, пологопадающие рудные залежи выходят на поверхность и уходят вглубь массива на глубину свыше 1 км. Горно-геологические условия предопределяют применяемую при отработке систему разработки — камерно-столбовую (сплошную) систему с поддержанием покрывающих пород целиками [1].
В рассматриваемых условиях ее конструктивное оформление осуществляется следующим образом: очистная выемка руд ведется панелями по простиранию рудных залежей, которые по вертикали через 20-40 м разделяются откаточными штреками (рис. 1), поддерживаемыми ленточными над- и подштрековыми целиками шириной 3-10 м каждый. Ширина панелей по падению рудных залежей в прежние годы составляла 40-70 м, в последние годы — 120-150 м, до 300 м.
1000
Рис. 1. Схематический вертикальный поперечный разрез рудника «Карнасурт» Fig. 1. Schematic vertical cross section of the Karnasurt mine
Панели в направлении простирания рудных залежей разделяются на очистные блоки, шириной 60-120 м, до 240 м, ограждаемые в направлении простирания залежей опорными ленточными междублоковыми целиками шириной 3-10 м. Внутри очистных выработок их кровля поддерживается податливыми внутриблоковыми целиками (размеры 1-2^3-4 м), оставляемыми через 6-15 м; длинная сторона внутриблоковых целиков ориентирована параллельно линии подвигания очистных забоев. Отбойка руды в очистных забоях ведется мелкошпуровыми зарядами.
Высокие прочностные свойства вмещающих пород, благоприятное направление в массиве тектонических напряжений, малая выемочная мощность (щелеобразность) очистных выработок (соотношение размеров ширины (I) к высоте (И) — 1/И = 60:1 и более) способствуют повышенной устойчивости кровли очистных выработок. В натурных условиях рудника установлено, что незакрепленные пролеты кровли очистных выработок шириной 60-70 м (при высоте 1,0-1,2 м), являются устойчивыми на глубине от поверхности 300-400 м и более. Повышенная устойчивость кровли очистных выработок, отсутствие возможностей механизированной установки крепи при малой высоте очистного пространства (1 м), мелкошпуровая отбойка руд в очистных забоях с огневым взрыванием шпуров позволяли в прежние годы крепить очистное пространство рядами кустовой крепи с расстоянием между рядами кустов 6-12 м, другим предназначением которой было ограждение разлета руды от забоев после взрывов. Однако в 1990-х гг., при переходе очистной отбойки руды на электровзрывание, взрывные нагрузки на кустовую крепь возросли, и ее стало выбивать, что нарушало технологию очистной выемки руд [2].
Горным институтом КНЦ АН СССР совместно с Ловозерским ГОКом было разработано инновационное решение: заменить кустовую деревянную крепь внутриблоковыми целиками небольших размеров, которые, кроме того, ограничивали бы разлет руды от забоев [2]. Поскольку Ловозерское месторождение с глубины 400 м от поверхности отнесено Ростехнадзором к склонным и опасным по горным ударам [3], а целики, особенно изолированные внутриблоковые, являются особо опасными элементами по этому фактору, при оформлении внутриблоковых целиков необходимо было предусмотреть профилактические меры по безопасности их от горных
ударов. Такие меры в виде создания строчек шпуров во внутриблоковых целиках, обеспечивающих искусственную податливость целиков в вертикальном направлении, были разработаны [4] и повсеместно применяются (рис. 2). Практика показала эффективность мер по приданию искусственной податливости внутриблоковым целикам: за все время их применения (десятки лет) горных ударов во внутриблоковых целиках не зафиксировано. В результате длительных опытно-промышленных испытаний и промышленной отработки были оптимизированы размеры податливых внутриблоковых целиков — 1-2^2-4 м на стадии их оформления методом недозаряжания устьевых участков шпуров [4].
Рис. 2. Паспорт на оформление внутриблокового целика: 1 — аккумулирующий блоковый восстающий; 2 — недозаряжаемые части шпуров; 3 — шпуры для камуфлетного взрывания; 4 — внутриблоковый целик; 5 — отрезная щель, пройденная методом недозаряжания шпуров
Fig. 2. Registration passport for intrablock pillar: 1 — accumulating block raise; 2 — incompletely chargeable parts of the boreholes; 3 — boreholes for camouflet blasting; 4 — intrablock pillar; 5 — cutting slot passed
by the method of incomplete charging of boreholes
Другое инновационное решение было предпринято при расчете сетки расположения внутриблоковых целиков. При поддержании кровли очистных выработок кустовой крепью и на первых стадиях применения внутриблоковых целиков расстояние между опорами (кустами крепи или внутриблоковыми целиками) рассчитывалось по формуле ВНИМИ [5]:
а =
V
8о шк
3 (1 + кпр) кз'
(1)
где ак — расстояние меду опорами крепи, м; Оизг — прочность пород кровли на изгиб, т/м2; m — мощность непосредственной кровли, м; у — плотность пород, т/м3; ^ — коэффициент структурного ослабления массива; ^р — коэффициент пригрузки; kз — коэффициент запаса прочности.
Способы определения аргументов, входящих в формулу (1), приведены в работе [2]. Формула (1), как нетрудно видеть, представляет собой формулу В. Д. Слесарева для второго предельного устойчивого пролета балки на двух опорах, в которую ВНИМИ добавлен коэффициент пригрузки и коэффициент запаса прочности [6]. Поскольку В. Д. Слесаревым эта формула выводилась для условий угольных месторождений, то очевидно, что в условиях рудных месторождений как сама формула, так и введенные дополнительные коэффициенты здесь мало пригодны. Основной недостаток формулы (1) заключается в том, что в ней не учитываются горизонтальные тектонические напряжения в массиве, превосходящие гравитационные, которые, в частности, действуют в массиве Ловозерского месторождения. В горнотехнической литературе отсутствовали методические разработки, учитывающие влияние горизонтальных тектонических напряжений на устойчивость кровли очистных выработок рудных месторождений. Поскольку внутриблоковые целики в рассматриваемых условиях играют роль крепи для поддержания кровли очистных выработок, в Горном институте КНЦ РАН для расчета сетки расположения целиков был использован методический подход, примененный И. В. Баклашовым, О. В. Тимофеевым для расчетов штанговой крепи, в котором непосредственная кровля рассматривается как тонкая плита, отслаивающаяся от основной кровли [7]. Отслаивающаяся плита рассматривается в вертикальном плоском сечении как трехшарнирная балка, нагруженная собственным весом и горизонтальными тектоническими силами, для обрушения которой необходимо преодолеть сопротивление пород в шарнирах.
В Горном институте КНЦ РАН разработана методика расчета сетки расположения внутриблоковых целиков [8]. Схема к расчету устойчивого пролета кровли между внутриблоковыми целиками приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема к расчету устойчивого пролета кровли между внутриблоковыми целиками Fig. 3. Scheme to calculate the stable span of the roof between intrablock pillars
Расчет устойчивого пролета кровли между целиками осуществляется по формуле
С = 1,22т
уст ' А
Сскc - 1уН
уткс
(2)
где 1уст — устойчивый пролет кровли между внутриблоковыми целиками, м; X — отношение горизонтальных напряжений к вертикальным на данной глубине; H — глубина горной выработки до поверхности, м. Остальные обозначения — прежние.
Основное достоинство разработанной методики заключается в том, что она позволяет учитывать горизонтальные тектонические напряжения, действующие в кровле, вместе с силами гравитации, чего в других методиках не предусмотрено. При этом, как видно из формулы (2), величина устойчивого пролета кровли между целиками увеличивается при увеличении горизонтальных тектонических сил, что вполне объяснимо, так как с ростом бокового давления увеличиваются усилия, поддерживающие кровлю в устойчивом состоянии.
Ловозерское месторождение является удароопасным. На руднике «Карнасурт» к склонным и опасным по горным ударам относятся участки шахтного поля с глубины 400 м от поверхности [3]. К текущему моменту максимальная глубина горных работ до поверхности достигла 600 м, а в дальнейшем в пределах горного отвода рудника она должна достигнуть 900 м. Естественно, что большая часть горных работ рудника будет проводиться в условиях опасности по горным ударам. Наиболее удароопасными элементами применяемой системы разработки, как указывалось, являются целики. Для внутриблоковых целиков разработаны меры профилактики горных ударов, описанные выше, однако удароопасны также и опорные ленточные околоштрековые и междублоковые целики.
Наиболее ответственными выработками на руднике являются откаточные штреки, которые проходятся по рудному телу и по которым производится транспортировка руды, передвигаются люди, осуществляется проветривание очистных и подготовительных выработок. По восстанию и падению залежей штреки ограждаются ленточными целиками шириной 3-10 м. Нади подштрековые целики являются основными опорными элементами, на которых держится вес покрывающих пород. Ввиду ответственного назначения выработок, стенки и кровля штреков должны быть ограждены от опасности горных ударов, то есть уровень напряжений в них не должен превышать прочности пород. В работе [3] для приведения участков выработок в неудароопасное состояние предлагается создавать защитные зоны в боках выработок в виде щелей, полостей, разгрузочных скважин и другими способами в направлении, перпендикулярном направлению действия максимальных напряжений. Способ профилактики горных ударов в околоштрековых целиках для условий рудника «Карнасурт» с помощью создания разгрузочных щелей в боках выработок для глубоких горизонтов рудника предложен и обоснован Горным институтом КНЦ РАН.
С использованием методов численного математического моделирования в плоской (двухмерной) постановке, имитирующей вертикальный поперечный разрез рудника, решена задача (методом конечных элементов) распределения напряжений вокруг откаточного штрека, расположенного на глубине более 400 м от поверхности, с над- и подштрековым целиками, ослабленными щелями, сооруженными в боках выработки. Схема расположения разгрузочных щелей в околоштрековых целиках, которая моделировалась, представлена на рис. 4.
Рис. 4. Расположение разгрузочных щелей в околоштрековых целиках Fig. 4. The location of the discharge slots in the near-drift pillars
Рассчитана ширина и удельная несущая способность над- и подштрекового целиков со щелями и без щелей. Результаты расчетов удельной несущей способности целиков для глубины свыше 400 м от поверхности представлены в таблице [9].
Ширина (d) и удельная несущая способность (R) ленточных целиков с разгрузочными щелями и без щелей для глубин отработки свыше 400 м от поверхности Width (d) and specific bearing capacity (R) of rib pillars with and without discharge slots for working depths above 400 m from the surface
Параметры Parameters Глубина H, м Depth H, m
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900
Надштрековые целики Above-drift pillars
d ^ м 4,5 5 5,3 5,7 6 6,3 6,5 7 7,2 7,5 7,7
dм 2,5 3 3,3 3,7 4 4,3 4,5 5 5,2 5,5 5,7
kф 1,4 1,6 1,7 1,8 1,8 1,9 1,9 2,0 2,1 2,1 2,2
Rн , тыс. т/м2 цщ' 57,7 76,8 89,76 106,56 115,2 130,72 136,8 160 174,72 184,8 200,64
R , тыс. т/м2 72 80 84,8 91,2 96 100,8 104 112 115,2 120 123,2
Подштрековые целики Under-drift pillars
d ^ м 4,0 4,5 4,7 5,3 5,5 5,7 6,0 6,5 6,8 7,0 7,3
dцщ, м 2,0 2,5 2,7 3,3 3,5 3,7 4,0 4,5 4,8 5,0 5,3
kф 1,3 1,4 1,5 1,7 1,7 1,8 1,8 1,9 2,0 2,0 2,2
R^, тыс. т/м2 41,6 56 64,8 89,76 95,2 106,56 115,2 136,8 153,6 160 186,56
R°, тыс. т/м2 64 72 75,2 84,8 88 91,2 96 104 108,8 112 116,8
Примечание. Ширина надштрековых , и подштрековых и ленточных целиков
с разгрузочными щелями и без щелей соответственно; удельная несущая способность надштрековых Ян , Ян и подштрековых Яп , Яп ленточных целиков с разгрузочными щелями и без щелей соответственно.
Note. Width of above-drift (d^ , d^) and under-drift (d^ , d^) rib pillars with and without discharge slots
correspondingly; specific bearing capacity of above-drift (R^, R®) and under-drift (R^, R) rib pillars with
and without discharge slots correspondingly.
В соответствии с расчетным принципом Турнера — Шевякова, с глубиной растет ширина (площадь) поддерживающих целиков. Как видно из таблицы, с глубиной увеличивается необходимая для поддержания покрывающих пород ширина околоштрековых целиков, как со щелями, так и неослабленными щелями. Однако ширина целиков со щелями с глубины 500550 м, как это видно из таблицы, имеет меньшую величину, чем ширина целиков без щелей. Это обстоятельство, кажущееся на первый взгляд парадоксальным, обусловлено существующими методами оценки прочности низких рудных целиков (соотношение ширины d к высоте h которых d/h > 1) с помощью коэффициента формы kф, рассчитываемого по формуле Церна [6].
В настоящее время отсутствуют методы оценки прочности целиков неправильной формы, в частности, тех целиков, у которых стороны неодинаковы. Эта задача требует дальнейших исследований. Расчет по существующим методикам дают представленные в таблице результаты.
Выводы
1. Для условий Ловозерскогоо месторождения разработано несколько инновационных решений в области управления горным давлением.
2. Разработано и внедрено решение о замене деревянной крепи в очистных выработках небольшими податливыми внутриблоковыми целиками, которые одновременно выполняют роль крепи для поддержания непосредственной кровли выработок и служат препятствием разлету руды при взрывании очистных забоев.
3. Разработана методика расчета сетки расположения внутриблоковых целиков в очистных выработках с учетом действия в массиве горизонтальных тектонических напряжений.
4. Для нижних горизонтов рудника в условиях опасности горных ударов разработаны предложения о профилактике горных ударов в околоштрековых целиках с помощью близгоризонтальных разгрузочных щелей в боках выработок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правила технической эксплуатации рудников, приисков и шахт, разрабатывающих месторождения цветных, редких и драгоценных металлов. М.: Недра, 1980. 109 с. 2. Выбор современной технологии очистной выемки тонких пологих рудных залежей на основе учета геомеханических факторов / И. И. Бессонов [др.] // Горн. журн. 1990. № 3. С. 23-26. 3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (утв. приказом Федер. службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 02.12.20l3, № 576). 4. Ловчиков А. В., Наливайко А. С. Применение податливых внутриблоковых целиков в очистных выработках на руднике «Карнасурт» // Горн. журн. 2002. № 1. С. 37-39. 5. Выемка целиков на отработанных рудных месторождениях / М. Ж. Битимбаев [и др.]. М.: Недра, 1993. 240 с. 6. Галаев Н. З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений: учебник для вузов. М.: Недра, 1990. 176 с. 7. Баклашов И. В., Тимофеев О. В. Конструкция крепей и обделок. М.: Недра, 1979. 263 с. 8. Ловчиков А. В. О расчетах устойчивости камерных выработок при гравитационном и гравитационно-тектоническом напряженном состоянии массива // Геодинамика и напряженное состояние Земли: XX Всерос. конф. с участием иностранных ученых. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2013. С. 281-285. 9. Ловчиков А. В., Земцовский А. В. Профилактика горных ударов в низких рудных целиках с помощью разгрузочных щелей (для условий Ловозерского редкометалльного месторождения) // Вестник МГТУ. 2019. Т. 22, № 1. C. 158-166.
Сведения об авторе
Ловчиков Александр Васильевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: [email protected]
Author Affiliation
Aleksandr V. Lovchikov — Dr. Sci. (Engineering), leading researcher, Mining Institute KSC RAS E-mail: [email protected]
Библиографическое описание статьи
Ловчиков, А. В. Инновационные решения по управлению горным давлением при отработке Ловозерского редкометалльного месторождения // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 1 (11). — С. 50-56.
Reference
Lovchikov Alexander V. Development of the Lovozero Rare-Metal Deposit: Innovative Solutions for Rock Pressure Management. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 1 (11), pp. 50-56. (In Russ.).
