CC BY
20
УДК 622
ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ И ЕЕ ВЛИЯНИЯ НА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БУРЯТИИ
А.М. Павлов1
Фирма «Хужиринтерпрайз», 670024, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ.
Приведены результаты исследования температурного режима шахтного поля в разные периоды года на золоторудных месторождениях Бурятии. Раскрыто влияние знакопеременных температур на массив горных пород и произведено его районирование. Дано предложение по количественной оценке степени устойчивости горных пород в криолитозоне. Библиогр. 2 назв. Ил. 3. Табл. 1.
Ключевые слова: золоторудные месторождения; криолитозона; температурный режим; устойчивость массива горных пород; подземная геотехнология; коэффициент структурного ослабления горных пород.
STUDY OF CRYOLITHOZONE AND ITS EFFECT ON GEOMECHANICAL CONDITION OF ROCK MASSIF WHEN UNDERGROUND MINING OF GOLD DEPOSITS IN BURYATIA
A.M. Pavlov
"Khuzhir Enterprise" Ulan-Ude, Buryat Republic, 670024.
The article provides the study results of mine field temperature conditions in different seasons of the year at gold deposits in Buryatia. The influence of alternating temperatures on the rock massif is revealed and its zoning is performed. A proposal on quantitative assessment of the stability degree of rocks in the cryolithozone is made.
2 sources. 3 figures. 1 table.
Key words: gold deposits; cryolithozone; temperature conditions; stability of rock massif; underground geotechnology; coefficient of structural weakening of rocks.
При подземной разработке жильных месторождений в условиях наличия вечномёрзлых пород актуальное значение имеет знание характера изменения прочностных свойств горных пород, подвергшихся воздействию отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания под влиянием техногенных факторов, и геомеханического состояния горного массива в целом.
Практический опыт и результаты исследования российских ученых свидетельствуют о резком и часто скачкообразном изменении физических свойств реального горного массива в области температурной границы фазового перехода воды в лед, своеобразном протекании физических процессов в мерзлой и талой зонах, значительном усложнении ведения горных работ при
:Павлов Александр Митрофанович, кандидат технических наук, докторант Института недропользования ИрГТУ, тел.: 89140526617, e-mail: р[email protected]
Pavlov Alexander, Candidate of technical sciences, ISTU Doctoral student, tel.: 89140526617, e-mail: р[email protected]
переходе из одной зоны в другую, требующих значительного изменения технологии. На эксплуатируемых жильных золоторудных месторождениях Бурятии эти вопросы в достаточной мере не были изучены.
Исследования влияния знакопеременного температурного режима воздуха на массив горных пород шахтного поля проводились на Ирокиндинском и Коневин-ском золоторудных месторождениях Бурятии. Измерение температуры горных пород и воздуха в горных выработках на разных расстояниях от поверхности осуществлялось цифровым термометром ТЦМ 9210М4 (термодатчик ТТЦ 01-180). Точность измерений электронного термометра 0,1 °С, а диапазон измерений от минус 50 °С до плюс 200 °С. Прибор прошел проверку в аттестованной лаборатории и перед измерениями проводилась сверка с эталоном. По принятой методике замеры температур горных пород и воздуха проводились в зимнее и летнее время в выработках жил № 30, 35, «Центрально-Тулуинская» рудника Ирокинда, на горизонтах штолен № № 1, 2, 3, 4 и горизонте + 2265 м ГОК Коневинское, которые представляют собой обособленные объекты, имеющие многогоризонтность и удаленность проходческих и очистных забоев от устья штолен.
Из проведенных замеров можно заключить, что Ирокиндинское рудное поле залегает в толще многолетнемерзлых пород с температурой от -3 °С (штольня 43) до -0,4 °С (штольня 18) и от 0 °С до +1 °С (горизонта 875), т.е. горизонт 875, возможно, расположен уже за пределами нижней границы толщи мерзлых пород. Глубина распространения многолетнемерзлых пород достигает 350-400 м.
Для того чтобы выявить закономерность изменения температурного состояния горных пород и воздуха в горных выработках в летнее и зимнее время (поло-
жительных и отрицательных температур атмосферного воздуха), было проведено сезонное картирование этих температурных полей путём проведения регулярных замеров по относительно равномерной сети, соответствующей кондиционным требованиям к картам 1:25000. По результатам измерений на проекциях жил на горизонтальную и вертикальную плоскости были построены карты изотерм температурных полей массива горных пород и воздушных потоков шахт.
Анализ полученных карт позволяет установить некоторые закономерности.
На жиле «Центрально-Тулуинская» наблюдается устойчивая связь внутренней структуры поля изотерм со схемой движения воздуха горных выработок. Показатели сезонных температур, особенно зимних, повторяют трассы воздушных струй, которые направлены от устья штолен с запада на восток. В зимний период времени температуры воздуха в начале пути (запад) по выработкам от устья штолен № 18, 39, 17 были самыми низкими и доходили до минус 8 °С, затем они постепенно выравнивались к центральному полю до температур минус 2-3 °С. Они распределены более равномерно потому, что главный вентилятор на восточном фланге работал на всасывание и перемещал с запада на восток воздух, температура которого в центре сравнялась с температурой горных пород. На глубине, в районе отметки 875 м, отмечается ореол положительных температур. По изотермам полей зимней температуры горных пород и воздуха видно, что оба температурных поля достаточно хорошо совмещаются. Распределение температуры в горных породах массива связано с влиянием более низких температур атмосферного воздуха, поступающего в выработки в процессе проветривания. Из-за этого на начальных отрезках прохождения воздушной струи породы промораживаются до более низких температур. Наиболее низкая
температура пород (минус 7 С) зафиксирована в области наиболее низкой температуры воздуха (минус 8 0С).
Наблюдение за распределением летних температур воздуха и горных пород в массиве многолетней мерзлоты показывает, что в приустьевой части штольневых выработок зафиксированы области положительных температур, а также установлено расширение области их глубинного ореола. Протяженность распространения воздуха с плюсовой температурой варьирует от десятков метров до сотен. Как следствие, происходит изменение температуры пород по периметру выработки на глубину от нескольких сантиметров до метров, протяженностью обычно 160-200 м. Параметры оттайки зависят от температуры наружного воздуха и скорости воздушного потока, проходящего по выработке. Параметры температуры в центральной части остаются минус 2-2,5 °С, т.е. такими же, как и в зимний период.
В отличие от жилы «Центрально-Тулуинская» на жилах № 30-35 отмечается более плавное изменение температур воздуха и горных пород в шахтном поле при почти полном их совпадении. Как видно на карте, температура массива и воздуха ко-
леблется в диапазоне
0С. Только на
западном фланге она опускается до -3-4 С. Причина такого отличия от ситуации на жиле «Центрально-Тулуинская», на наш взгляд, заключается в отличии схем движения воздушной струи. Вид,имо это обстоятельство способствует тому, что вентиляционный воздух, проходя сложный путь, адаптируется к средней температуре горных пород (-2-30С) и не оказывает существенного влияния на их температурное состояние. На приустьевых участках характер распределения температур аналогичен.
Мониторинговый режим наблюдений за температурой воздуха и пород был проведён на Коневинском месторождении (рис. 1). В верхней его части до глубин 250-400 м, также как и на Ирокиндинском месторождении, отмечается наличие многолетней мерзлоты. Для получения необходимой информации о современном мерзлотном состоянии породного массива на всех действующих горизонтах месторождения рудничной геолого-маркшейдерской службой были проведены летние замеры температуры пород и воздуха в горных выработках в мониторинговом режиме практически с одинаковым количеством замеров и примерно в одних и тех же местах. Первый этап замеров был произведён
Рис. 1. Графики изменения температур воздуха в выработках (верхний график) и наружного воздуха (нижний график) в зимний месяц. Месторождение Коневинское
в период с 21 по 26 июня 2011 года, а второй 11 - 12 августа 2011 года, т.е. примерно через 1,5 месяца.
Анализ полученных данных летних замеров приводит к следующему. Температура пород и воздуха в местах устойчивой многолетней мерзлоты в горных выработках не превышает -4,5-5,0 °С. Температура воздуха, как правило, на 0,3-1,0 градуса выше. Наиболее низкие и более стабильные температуры пород и воздуха зафиксированы в штольне 2 (гор. +2315 м, середина шахтного поля). Там средняя температура пород составляет минус 4,4 °С, воздуха 4,0 °С. На остальных горизонтах температура пород и воздуха на 1,0-2,0 °С выше и это связано с двумя причинами. С одной стороны, это влияние глубины от поверхности и времени сезона, а с другой - влияние техногенного фактора, связанного с отработкой месторождения.
Практически на всех горизонтах в приустьевых частях вскрывающих выработок наблюдаются области летнего растепления выработок. Здесь температура пород и воздуха существенно повышается и варьирует соответственно от плюс 7,6 и 6,1 градуса (шт. 4) в приустьевой части, постепенно снижается до нуля и переходит в минусовые значения.
Появление этих зон в летнее время связано с поступлением тёплого воздуха при проветривании выработок. Этот же эффект получается, по-видимому, и при применении самоходного оборудования (шт. 2 бис, уклон, гор.+2265 м), которое не только создаёт положительные температуры воздуха, но и повышает температуру пород более, чем в два раза по сравнению с выработками, где это оборудование не применяется. В этом случае данный горизонт и все подходные выработки (уклон, квершлаги) в целом оказываются в переходной зоне, но её правильнее будет квалифицировать как переходную зону техногенного типа. В очистных выработках тем-
пература пород и воздуха колеблется от 0°С до 2°С. Здесь также сказывается влияние техногенного фактора и близкое расстояние к поверхности горного рельефа местности. Полуторамесячное изменение температуры пород и воздуха выразилось в повышении её как для воздуха (на 1,7 градуса), так и для пород (на 1,4 градуса). Это зафиксировано на горизонте + 2315 м (шт.2), где влияние техногенного фактора минимально и действует только фактор сезонной смены температур воздуха.
Выявленная закономерность позволяет хотя бы приближённо прогнозировать изменение температур воздуха и пород в летнее время и заранее предполагать участки возможного летнего «растепления» пород горного массива в шахтном поле. В зимний период идет теплоотдача пород проходящему воздушному потоку. График отражает изменение температуры воздуха, прошедшего по горным выработкам длиной 650 м, в среднем на 10°С.
Анализ показателей температуры горных пород многолетнемерзлого массива и воздуха в отрабатываемых шахтных полях золоторудных месторождений выявил общую закономерность: криолитозо-на неоднородна по температурному режиму в шахтном поле, и устойчивость обнаженного массива горных пород различается в нем, поэтому подлежит районированию на субзоны. Субзоны характеризуются изменением физико-механических свойств горных пород и, как следствие, устойчивости обнаженного массива, под воздействием знакопеременной температуры.
Первой необходимо выделить субзону «постоянной» мерзлоты горных пород. В данной субзоне воздействие шахтного воздуха не влияет на изменение температуры массива горных пород и на изменение устойчивости при обнажениях пород от данного фактора. Эта субзона отрицательных температур не изменяется в зависимости от сезона. Граница «постоянной» зоны
проходит по изотерме минус 1°С. Объем массива горных пород с меньшей температурой и ограниченная этой изотермой будет относиться к «постоянной» субзоне.
Вторая «сезонно-переходная» субзона заключена в контур, ограниченный изотермами 0°С и минус 1°С, и сопровождает «постоянную» субзону, находясь рядом, может возникать и исчезать по мере изменения температуры массива горных пород шахтного поля и характеризуется снижением его устойчивости.
В третьей «сезонной» зоне происходит снижение устойчивости массива горных пород вследствие наступления в этой области фазового перехода льда в воду при изменении температуры более 0 °С и наоборот отрицательной в этом же интервале под воздействием шахтного воздуха, имеющего знакопеременную температуру в зависимости от сезона. Происходит «растепление» и заморозка горных пород вокруг выработок, что приводит к нарушению устойчивости в целом пород субзоны с каждым циклом. Массив горных пород этой субзоны расположен в диапазоне температур от 0°С и выше, которая в дальнейшем изменится на отрицательную при поступлении холодного воздуха с повышением устойчивости массива горных пород в этот период. Глубина «растепления» и заморозки меняется в зависимости от продолжительности воздействия теплого или холодного воздуха, поступающего в шахту, от 0,1 до 2,0 м в зимне-летний период и распространяется обычно от устья внутри шахтного поля до 200 м.
Четвертая «природно-переходная» субзона не зависит от влияния изменения сезонных температур воздуха. Это субзона массива горных пород, где возникает резкое изменение его устойчивости, вследствие наступления в этой области фазового перехода льда в воду под воздействием горного давления и повышения температуры выше минус 1°С на глубине горных ра-
бот шахтного поля. Граница этой субзоны расположена в диапазоне температур горного массива от минус 1°С до плюс 0,5°С. Для условий отработки жил рудника Иро-кинда зона распространена по глубине до 150 м.
Под воздействием положительных температур, возникающих от производственно-технологической деятельности в ходе производства горных работ, в районе выработок возникает область «растепления» пород. Так формируется «техногенная» субзона и она может быть расположена внутри любой из перечисленных суб-зон.
Таким образом, нами произведено районирование массива многолетнемерз-лых пород на субзоны: постоянную, сезон-но-переходную, сезонную, природно-переходную, техногенную.
Геомеханическое состояние горных пород в выделенных нами субзонах будет различаться. Так, проведенные опытные замеры деформации кровли по реечным маячкам в «сезонной» субзоне в бл. 24С1 жилы «Юрасовская» Ирокиндинского месторождения, отработанного камерно-столбовой системой с креплением распорными стойками, в течение девяти лет показали, что кровля опускалась на 3-7 мм в год и деформировалась на 49 мм. Процесс деформации сопровождался ростом тре-щиноватости пород кровли и целиков. Интенсивность трещиноватости при этом выросла на порядок. Целики также растрескались и ушли из-под нагрузки. Процесс «растепления» проходил в летние месяцы, и температура воздуха в блоке не поднималась выше плюс 3°С. Температура массива при этом изменялась от плюс 0,8°С до минус 3.5°С на глубине 2 м от кровли выработки. Мощность протайки за сезон не превышала 0,9 м. Поддержание кровли осуществлялось распорными стойками и целиками. Во время «растепления» лед, находящийся в трещинах, таял, и они под
нагрузкой раскрывались, кровля при этом ослаблялась. Обрушения кровли не происходило из-за того, что она была закреплена распорными стойками и целиками. С наступлением отрицательных температур в блоке (температура воздуха в зимний период опускалась до минус 6°С) наступала наморозка оттаявшего массива пород и трещины заполнялись влагой, которая превращаясь в лед, разрывала массив на еще большее количество трещин, при этом в то же время происходила цементация его и укрепление. Устойчивость кровли повышалась, и многолетнемерзлый массив восстанавливался, но та часть, которая подверглась циклу замораживания и оттаивания, становилась с каждым разом слабее массива «основной» зоны, чем и обуславливалась посадка кровли на 3-7 мм за цикл смены температуры шахтного воздуха. Подобный процесс происходит и в массиве целика, который, проходя через такие «циклы», теряет целостность, разрушаясь, уходит из-под нагрузки, которая распределяется дополнительно на соседние участки. В данном случае устойчивость обнаженного массива горных пород и целиков в «сезонной», «сезонно-переходной» субзонах зависит от геологического строения кровли, физико-механических свойств, льдистости и трещиноватости слоя, который подвержен знакопеременному температурному воздействию. Тот же массив горных пород рассмотренного блока, если бы находился полностью в «основной» зоне, сохранил бы устойчивое состояние кровли и целиков.
Другой пример, на горизонте + 900 м в блоке 24 С1-8 жилы 35 зафиксирован вывал пород (рис. 2). Площадь его около 70 м2 мощностью от 0,2 до 1,5 м. Вывал произошёл в условиях естественного «растепления» горного массива при минус 0,8°С, то есть блок отрабатывался в «природно-переходной» субзоне. Блок закреплен деревянными распорными стойками. Обру-
шение пород произошло по причине скольжения зоны рассланцевания по контакту льдистого прослойка мощностью до 0,01 м. Под воздействием горного давления лед на контакте с зоной рассланцева-ния приобрел свойство текучести и зона разом всей массой обрушилась, сломав крепь. В подобных условиях массив горных пород кровли необходимо считать неустойчивым.
Рис.2. Вывал зонырассланцевания по льдистому прослойку в Бл.24С1-8
При других обстоятельствах, например, те же условия, но без наличия льди-стости, можно отнести породы рассмотренного массива к средне-устойчивым, и предпосылок к обрушению не было бы при соблюдении технологии работ. По результатам многолетних наблюдений за деформацией кровли и бортов очистных блоков, стенок целиков нами установлено, что в «сезонной», «сезонно-переходной», «при-родно-переходной» и «техногенной» субзонах трещиноватый, льдистый массив будет становиться неустойчивым по мере поступления теплого воздушного потока в выработку и повышения температуры массива горных пород выше минус 1°C.
Количественную оценку снижения устойчивости массива горных пород в зонах многолетней мерзлоты предлагается производить через корректировку коэффициента структурного ослабления пород.
Существуют несколько формул определения коэффициента структурного
ослабления (Кс). Автором для учета влияния знакопеременных температур на устойчивость горных пород предложено коэффициент структурного ослабления определять с применением соответствующего коэффициента влияния состояния мерзлоты. За основу принята формула ВНИМИ (Д.Н. Ким) [2], в которую введен этот коэффициент:
Кг =--1-г + 0.315 + Д
с 0.53(/ / 1бл +1.175)
где I - линейный размер оцениваемого на
прочность участка массива, м;
1бл - линейный размер структурного блока, м;
Д - коэффициент влияния мерзлоты.
Предложенный коэффициент Д учитывает состояние льда в трещинах массива под воздействием знакопеременных температур. Величину коэффициента Д предлагается принять на основе проведенных исследований дифференцированно: для мерзлых пород («постоянной» субзоны) равным 0,4; «сезонной» (зима) субзоны -0,2; «сезонно-переходной» и «природно-переходной» субзон - 0,1; «техно-генной» и «сезонной» (лето) субзон - 0.
1.1 Же
Расчеты показывают, что мерзлые породы имеют коэффициент структурного ослабления примерно равный единице (таблица). Это предполагает, что мерзлота цементирует трещины и делает массив пород монолитным. При «растеплении» влияние мерзлоты снижается и в условиях талых пород коэффициент Д равен нулю (полное растепление) значение Кс соответствует расчетам по базовой формуле Д. Н. Кима.
Значения коэффициента структурного ослабления в криолитозоне
Субзоны Линейный размер структурного блока, м
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Постоянная 0,804 0,884 0,956 1,00 1,00
Сезонная 0,604 0,684 0,756 0,821 1,00
Переходная 0,504 0,584 0,656 0,721 1,00
Техногенная 0,404 0,484 0,556 0,621 0,909
Линейный размер блока
Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента структурного ослабления (Кс) массива в районированных зонах многолетнемерзлых пород от линейных размеров обнажённых частей
выемочных блоков
Установлены зависимости влияния пород криолитозоны на устойчивость обнаженного массива и целиков через коэффициент структурного ослабления массива (рис.3).
С помощью коэффициента структурного ослабления пород возможно оценить коэффициенты запаса прочности целиков и кровли камер и определить допустимые напряжения в них, находящихся в районированных зонах многолетней мерзлоты.
Суммируя изложенное, можно сделать следующие выводы.
1. Постоянные и сезонные переходные субзоны между многолетнемёрзлым и талым состоянием пород представляют собой особые участки, ограниченные изотермой -1 С температурного поля и отличающиеся местом локализации и тепловым режимом функционирования. Нижняя граница тех и других переходных субзон определяется положением нулевой изотермы пород горного массива.
2. В криолитозонах имеют место сложные сочетания участков с мёрзлым и талым состоянием пород, что предопределяет особые горно-геологические условия за счёт снижения степени устойчивости горного массива, а также временной и геотехнологический режим отработки месторождения.
3. Естественное изменение температуры вечномёрзлых пород и воздуха при
минимальном влиянии техногенного фактора за полуторамесячный интервал времени в летний сезон работы выразилось в повышении её как для воздуха (на 1,7 градуса), так и для пород (на 1,4 градуса), что позволяет хотя бы приближённо прогнозировать изменение температур воздуха и пород в летнее время и заранее предполагать расположение участков возможного летнего растепления пород горного массива.
4. Условия криолитозоны можно дифференцировать и учитывать в практических расчётах путём использования специально обоснованных коэффициентов структурного ослабления горного массива.
Библиографический список
1. Павлов А.М. Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных и пологих жил золоторудных месторождений в криолитозоне с учетом выявленных свойств геологической среды // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГТУ, 2011. № 5. С. 2939.
2. Ким Д.Н. Влияние структуры на сдвиговую прочность массива и определение расчетных механических характеристик // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ: труды ВНИМИ. 1969. Вып. 72. С. 568-585.
Рецензент доктор геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета В.А.Филонюк
