CC BY
47
© А. А. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян, 2011
УДК 622.83
А.А. Козырев, И.Э. Семенова, И.М. Аветисян
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ХАРАКТЕРА ОБРУШЕНИЙ ПОДРАБОТАННОЙ ТОЛЩИ С УВЕЛИЧЕНИЕМ ГЛУБИНЫ ГОРНЫХ РАБОТ НА КУКИСВУМЧОРРСКОММЕСТОРОЖДЕНИИ ОАО «АПАТИТ»
Приведены исследования деформированного состояния подработанной толщи с учетом изменившейся глубины подземной отработки запасов на Кукисвумчоррском месторождении ОАО «Апатит». С использованием ретроспективного анализа обрушений и на основании результатов объемного численного моделирования разработана методика, позволяющая определять критические параметры подработки налегающего массива по простиранию и вкрест простирания рудной залежи при различной его высоте.
Ключевые слова: обрушение пород, выработанное пространство, горнотехнические факторы.
13настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий подземной отработки Хибинских апатитовых месторождений, что связано в первую очередь с углублением горных работ, а также с действием высоких тектонических напряжений. Одним из основных процессов, влияющих на безопасность разработки, является деформация подработанного массива горных пород. Следствием этого сложного и зависящего от массы разнообразных факторов процесса является внезапное неконтролируемое самообрушение подработанных пород.
Процесс самообрушения и его развитие во времени и пространстве зависит от ряда горнотехнических факторов: формы и размеров выработанного пространства, глубины разработки и воздействия массовых взрывов; а также от горно-геоло-гических факто-
ров: физико-механи-ческих свойств
вмещающих пород, угла падения залежи, структурных особенностей массива (трещиноватости, тектонических разрывов, ослабленных зон), формы рельефа дневной поверхности, величины и направления действия тектонических сил, давления ранее обрушенных пород, сейсмичности массива и других. Если первые поддаются управлению, то другая группа факторов имеет вероятностную природу и управление ими практически невозможно. Так - прочностные и деформационные свойства пород, параметры трещиноватости могут случайным образом изменяться от точки к точке, как по площади, так и по глубине массива. В условиях гористого рельефа сложным образом изменяется и мощность толщи покрывающих пород, как по падению, так и по простиранию рудной залежи. Не менее сложным будет
и напряженно-деформированное состояние подработанных пород с учетом реальной геометрии дневной поверхности, конфигурации открытых и подземных горных работ в условиях действия значительных субгори-зонтальных тектонических напряжений, что характерно для массивов горных пород Кольского полуострова.
Эффективное и безопасное применение на больших глубинах систем этажного и подэтажного принудительного обрушения и планирование мероприятий по охране сооружений зависит от своевременного прогноза и управляемого планомерного развития частичного и полного самообрушения покрывающих пород.
На рис. 1 представлено развитие обрушений на Кукисвумчоррском крыле
Объединенного Кировского рудника (ОКР) с границами очистных работ по горизонтам +170 м и +250 м, с указанием направления основных систем трещин. Видно, что обрушения на этом месторождении происходили с опережением, то есть еще до подработки налегающего массива пород горными работами, причем большее опережение наблюдалось на северной части месторождения. На отдельных участках наблюдается совпадение ее направления с ориентировкой системной трещиноватости. В большей мере разрушение происходит по I системе трещин и на отдельных участках по Ш-ей. Это связано с тем, что простирание I системы трещин ближе всего к магистральному направлению, по которому в основном и ориентированы прогнозные трещины отрыва в подработанном массиве.
Рис. 2. Фото зоны обрушения Кукисвумчоррского месторождения
Рис. 1. Развитие зоны обрушений Кукисвумчоррского крыла ОКР в 2002—2009 гт.
В период с 2002 по 2006 годы на Кукисвумчоррском крыле ОКР не происходило заметного подвигания кромки обрушенных пород. Наблюдались лишь незначительные движения заколов, а также дробление некоторых из них. Однако в мае-июне 2007 года по мере таяния снежного покрова стало визуального заметно (с промпло-щадки Кировского рудника) появление на поверхности субма-гистральной трещины отрыва большой протяженности. Как было установлено фототеодо-литной съемкой в июле 2007 г., трещина располагалась в пределах разрезов р14 г р21 и магистралей М+555 г М+705 м, прерываясь между разрезами 19 и 20+20 м. Объем пород консольного зависания от предыдущей бровки обрушения до новой трещины составлял около 11 700 тыс. м3. Неконтролируемое обрушение такого объема пород могло привести к динамическим последствиям в виде горных и воздушных ударов и тем самым снизить безопасность горных работ. Тем более что непосредственно под неустойчивыми породными массами ведутся активные горные работы. В районе разрезов 16 г 22 идет доработка запасов горизонта +250 м, а со стороны 14 разреза идет развитие работ горизонта +170 м. Фото кромки обрушения на данном участке представлено на риа 2.
Такая ситуация требует проведения дополнительных исследований подработанных пород в этом районе и поиска мер для постепенного и планомер-
ного обрушения образовавшегося неустойчивого зависания.
С конца 80-х годов для изучения влияния параметров подработки висячего бока на процесс частичного обрушения пород и изменение поля напряжений используются численные методы. Целевая направленность исследований заключалась в том, чтобы на основе изучения напряженно-
деформированного состояния (НДС) массива пород висячего бока с учетом их блочного строения, дать прогноз параметров самообрушения и разработать практические рекомендации по управлению обрушением пород и защите выработок от опасности воздушных ударов.
В Горном институте КНЦ РАН был выработан подход к прогнозированию параметров обрушений налегающих пород в скальных массивах, основанный на численном моделировании объемного напряженно-
деформированного состояния с использованием критерия разрушения по
абсолютным значениям растягивающих приведенных напряжений, с учетом ориентации их площадок и тектонической нарушенности пород. Блок-схема методики представлена на рис. 3.
Обрушение подработанных пород в тектонически нагруженных массивах можно рассматривать на основе теории разрушения отрывом сжатых скальных пород []1]. Прогноз зон, склонных к обрушению, проводили с учетом действующего поля напряжений. Основную роль здесь играет не максимальное значение главной компоненты напряжений,
а максимальная растягивающая компонента деформаций и ее ориентировка по отношению к плоскостям трещин. Расчет деформаций осуществляется по формулам:
Б] = (а] - у(ъ2 + аз)) / Е 52 = (а2 - у (а] + аз)) / Е Бз = (аз - у (а]+ а2У) / Е
где а]; а2; аз — компоненты главных напряжений (а] > а2 > аз)*; Е, у — модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
Рис. 3. Блок-схема методики прогноза обрушений по результатам численного моделирования НДС массива пород методом конечных элементов
*Использовано программное обеспечение, в котором напряжения сжатия приняты положительными величинами, растяжения — отрицательными.
Для сравнение с пределом прочности пород на растяжение деформации умножаются на модуль упругости, т.е. при анализе используются приведенные напряжения. Учитывая, что прочность трещиноватого массива при растяжении существенно ниже, чем прочность сплошного, раскрытие существующих трещин может происходить при |б/Е|>ор (ар — предел прочности на разрыв). Поэтому при оценке состояния массива была выработана следующая методика: объем породы, в котором растягивающие |б2Е и |бзЕ > kар, именуется зоной потенциально опасной по обрушению, а тот объем, где 0 < |бзЕ < kаp МПа рассматривается как объем, в котором возможно раскрытие естественных трещин. Здесь коэффициент k характеризует степень нару-шенности пород и находится в пределах от 0 до ] (0 < k < !). Кроме исследования абсолютных значений в сформировавшихся зонах растягивающих приведенных напряжений (так будем называть б/Е), важен также и анализ направления их действия. Если ориентировка площадок, на которые действуют б/Е, близкие к пределу прочности на растяжение, совпадает с направлением естественных трещин, выходящих на дневную поверхность, то объем пород будет обрушаться по ним.
Были проведены исследования подрабатываемого массива пород Ку-кисвумчоррского месторождения.
тов НДС при конфигурации очистной выемки на момент образования и разви-
тия трещины в 2007 г показало наличие трех зон повышенных значений растягивающих напряжений. На рис. 4 представлены изолинии распределения и ориентация вероятных трещин отрыва в слое элементов непосредственно под дневной поверхностью. Две зоны концентрации растягивающих приведенных напряжений находятся в области образования мощной трещины отрыва, описанной выше. Это, во-первых, зона со значениями е3Е до 10 МПа в районе магистрали М+700м и 18 разреза, то есть в месте наибольшего удаления трещины от предыдущей кромки обрушения; а во-вторых, зона в районе 15 разреза непосредственно у бровки, откуда предположительно начался процесс образования трещины отрыва. Ориентировка проекций на дневную поверхность вероятных трещин отрыва близка в пределах разрезов 14 + +32^18 к направлению проросшей трещины. Наименьшее соответствие наблюдается в зоне разрезов 18^20, где, судя по результатам моделирования, работает вторая компонента деформаций, также растягивающая и совпадающая по направлению с трещинами второй системы.
На рис. 5 видно, что на момент образования трещины была произведена подработка массива на горизонте +284 м в пределах участка Р16+30 - Р19+30, кроме этого активно велись горные работы на горизонте +170 м на подэтаже +236 м в районе разреза 13. Максимальная величина подработки вкрест бровки обрушения составила приблизительно
72 м. В то же время шаг обрушения составил приблизительно 137 м при средней мощности покрывающих пород 250 м. Данный факт идет в разрез с действующими «Указаниями по управлению обрушением...», принятыми на ОАО «Апатит» [2], в которых шаг обрушения по графику для таких глубин должен составлять около 45 м (рис. 6). Это указывает на необходимость корректировки номограммы определения критических параметров подработки на Кукисвум-чоррской части ОКР.
На рис. 5 также показаны проекции границ рудного тела на участке Р15+0 -Р20+0. Как видно, подработка налегаю-
щей толщи пород до уровня, выходящего за кромку обрушения, на участке Р15+0 - Р18+0 возможна только при развитии очистных работ на горизонте +183 метра.
Учитывая то, что очистные работы на данном горизонте находятся на начальном этапе своего развития, можно предположить, что дальнейших подвиганий кромки обрушения на данном участке в ближайшие 2—3 года не предвидится. В то же время на участке Р18+30 — Р21+0 могут происходить обрушения при доработке запасов гор. +260 м в висячем боку рудной залежи.
? і і І і I ||£ Ь /. ■ 1 +&Ьом * * *,§•
ІІІ* іііЙ
г і, 114.0.0м
Рис. 4. Изолинии распределения максимальных растягивающих напряжений и ориентация вероятных трещин отрыва в слое элементов непосредственно под дневной поверхностью при отбойке на II кв. 2007года.
Рис. 5. Параметры зависания на момент образования трещины (2007 г.)
7П
60 X)
эи ■ 44 40
5 "ЗГ1 1 I I
I 1 1
/и 1 1 1
1 и п 1 1 1
и к X) 2( Ю 250 3( Ю 4( К Ю 5( м Ю 6( X) 7(
Рис. 6. Зависимость шага самообрушения покрывающих пород l от их мощности H для Кукисвумчоррской части ОКР по действующим указаниям
Третья зона повышенных значений напряжений растяжения находится у разреза 9, направление вероятных трещин отрыва здесь близко к магистральному. Однако абсолютные величины приведенных напряжений здесь несколько ниже и на поверхности (как выявлено визуальным обследованием) явных трещин не наблюдается. Прогнозные расчеты показали, что рост растягивающих напряжений здесь будет происходить при развитии очистной выемки горизонта + 170м с опережением по висячему боку рудной залежи. На участке Р11+0 - Р14+0 приведенные растягивающие напряжения имеют низкие абсолютные значения, что в первую очередь объясняется повышением отметок рельефа дневной поверхности. При этом подработка массива незначительна. Все это делает са-мообрушение на данном участке маловероятным.
Рассмотрим характерный разрез вкрест простирания рудной залежи (разрез 14 - рис. 7). Как видно, до отметки +260м (по которой проходит нижняя граница очистного пространства горизонта +250 м) угол верхнего контакта рудного тела с горизонтом составляет приблизительно 30°, с глубиной же увеличивается крутизна падения рудного тела и аналогичный угол составляет уже около 45°. Это влияет на величину подработки налегающего массива вкрест простирания рудной залежи (1) — возможные значения 1, даже при выемке запасов до контакта рудного тела, с глубиной уменьшаются и не достигают критических. Глубина горных работ от дневной поверхности (а это, по сути, и есть Н) более 500 м. То есть остается только один способ добиться обрушения, если не прибегать к динамическому воздействию на образовавшееся зависание - увеличение подработки по простиранию. Однако при определен-
ных величинах I это тоже может ока-
заться неэффективным.
Рис. 7. Параметры подработанного массива по разрезу 14 Кукисвумчоррской прирезки ОКР
В соответствии с действующими указаниями определены параметры подработки покрывающих пород на нескольких участках, приведем параметры для двух из них:
Участок 1 (Р15+0 - Р21+0): Н =
252 м; I = 33 м; L = 172 м; L/H = 0,68; 1/Н = 0,13.
Участок 2 (Р11+0 - Р14+0): Н =
457 м; 1 = 27 м; L = 144 м; L/H = 0,31; 1/Н = 0,06.
L — величина подработки налегающего массива по простиранию рудной залежи.
Построена новая зависимость, определяющая соотношения линейных
параметров устойчивости обнажений на Кукисвумчоррском месторождении (рис. 8).
Несложно вычислить, что минимальным значением 1 при Н = 600 м, для которого самообрушение пород зависания становится теоретически возможным, является 60 м. Когда же эта величина может быть достигнута и подработанный массив перейдет в неустойчивое состояние? Величина подработки без выемки запасов треугольника висячего бока в настоящее время составляет 10 ^ 15 м, при полной выемке до контакта рудного тела (что произойдет уже после начала отработки нижележащего горизонта) — около
50 м. То есть обрушение пород до поверхности в пределах разрезов 11—14
Рис. 8. Прогнозная кривая критических параметров подработки для Кукисвумчоррской прирезки ОКР
(где высота рельефа максимальна) маловероятно в ближайшие годы.
сива. На рис. 9 показано вертикальное сечение по разрезу вкрест простирания рудного тела (разрез 12+33). Видно, что при увеличении высоты рельефа значения максимальных растягивающих напряжений не достигают критического уровня, а также вы-полаживаются площадки, по которым они действуют. В данном случае возможно лишь частичное обрушение пород в очистное пространство. Зона вероятного частичного обрушения пород показана пунктирной линией.
Таким образом, в результате исследования зависаний пород висячего бока Кукисвумчоррского месторождения, отрабатываемого Кировским рудником ОАО «Апатит» сделаны следующие выводы:
• обрушения пород до поверхности в пределах разрезов Р11+0 - Р14+0, где высота подработанного массива близка к 500 м, маловероятно в ближайшие годы;
• на участке Р18+30 -
Р21+0 могут происходить
обрушения при доработке
п п п л ~ л 77 запасов гор. +260 м в вися-
Рис. 9. Распределение изолиний и площадок езЕ по разрезу г
Р12+33 (участок 2) чем боку рудной залежи;
Этот вывод подтверждается и ре- • предложена н°м°-
зультатами моделирования НДС мас- грамма для определения критических
параметров подработки на Кукисвум-чоррской прирезке ОКР.
• сформировано представление о стадийности процесса обрушения пород висячего бока до дневной поверхности в условиях действия тектонических сил: развитие и накопление трещин в зонах, приуроченных к границам заделки подработанных пород и
ности; слияние трещин и формирование магистрального разрыва; образование единой плоскости обрушения до дневной поверхности при накоплении массивом энергетического потенциала, необходимого для преодоления зоны с пониженными значениями растягивающих деформаций.
непосредственно на дневной поверх-
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект №09-05-12064-ОФИ_М, а также государственного контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям № 02.740.11.0316, шифр 2009-1.1-151-066.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. — М.: ИПКОН РАН, 1996. — 166 с.
2. Козырев А.А., Демидов Ю.В., Мальцев В.А., Енютин А.Н., Аминов В.Н., Семенова И.Э., Доставалов Р.Н. Указания по управлению обрушением
покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит». КНЦ Г орный институт, открытое акционерное общество «Апатит». Апатиты, 2002г. — 51 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------
Козырев А.А. — профессор, доктор технических наук, зам. директора Горного института КНЦ РАН Горный институт Кольского научного центра,[email protected].
Семенова И.Э. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ГоИ КНЦ РАН [email protected].
Аветисян И.М. — младший научный сотрудник, ГоИ КНЦ РАН, [email protected].
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КАЗАХСКИЙ НАЦИНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА
KУЗЬMИH Сергей Львович Обоснование параметров шасси самоходного полка для условий подземных рудников 05.05.06 к.т.н.
