CC BY
48
УДК 622.34;622.83
© В.Н. Калмыков, Р.В. Кульсаитов, П.В. Волков, С. С. Неугомонов, Д.П. Самойленко, 2014
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ КОЧКАРСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Проведены исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива на верхних горизонтах, оценка НДС горных пород Кочкарского золоторудного месторождения на глубоких горизонтах, исследованы физико-механические свойства пород, установлены закономерности изменения параметров горизонтальных и вертикальных напряжений связанные с понижением уровня горных работ.
Ключевые слова: Кочкарское золоторудное месторождение, напряженно-деформированное состояние массива, плагиогранит, «табашка», ударо-опасность, физико-механические свойства.
Кочкарское золоторудное месторождение расположено в северной части одноименного рудного поля на восточном склоне Южного Урала и занимает площадь 12 км2. В 3 км южнее находится отработанное Новотроицкое золотомышьяковое месторождение. Геологическое строение обуславливается обилием даек жильных пород, пронизывающих плагиогранитный массив в субширотном направлении. Для Кочкарского месторождения характерны кварцевые малосульфидные жилы. Количество даек составляет около 15 % площади, и распространяются они в массиве неравномерно, образуя зоны сгущения. В пределах месторождения выделяются три основные зоны сгущения: Северная, Центральная и Южная. Простирание зон восток — северо — восточное 70-80°, падение крутое 70-85°как северное, так и южное. Длина зон составляет 3-4 км, мощность 100-150 метров. Рудные тела представлены золотоносными кварцевыми жилами и жильными зонами крутого падения мощностью 0,4-0,7 м. Сложность морфологии кварцевых жил, мощность и размеры, слагающих жилу зависят главным образом от того, с какой средой они связа-
ны: с зонами сгущения даек «табашек» или с отдельными изолированными дайками. Кварцевые жилы, залегающие в зонах сгущения даек, отличаются исключительной сложностью строения, очень часто золотосодержащие жилы представляют собой серию сближенных кварцевых линз, ориентированных вдоль оси рудных зон.
Геологической службой ш. «Центральная» установлено, что 72 % запасов приурочено к участкам месторождения, залегающим в породах устойчивых и средней устойчивости, 28 % — к участкам неустойчивых и весьма неустойчивых пород.
Плагиограниты и «табашки» отличаются интенсивностью трещиноватости: так «табашки» имеют значение числа трещин 2,5 — 2,8 на 1 погонный метр массива, а плагиограниты - 3,8 — 4,2 [1].
Эксплуатационные работы на Кочкарском месторождении ведутся на горизонтах 470, 650 и 700 м. Нарезные работы ведутся на горизонте 750 м. Высота этажей на основных горизонтах составляет 100 м. Они в свою очередь разделяются промежуточными горизонтами высотой 50 метров. Порядок отработки этажей нисходящий. Запасы в пределах этажа отрабатываются в обратном порядке по простиранию (от флангов к центру).
В настоящее время месторождение, отнесенное к опасным по горным ударам [2], отрабатывается системами разработки подэ-тажных штреков (рис. 1) в различных вариациях [3]. Доля применения данной системы разработки составляет 100 %.
Применение этой системы дало возможность увеличить интенсивность отработки выемочных единиц, снизить выемочную мощность (1,37 м) и, как следствие, разубоживание руды. Производительность труда при системе подэтажных штреков составляет 2,65 м3/(чел-см).
В результате продолжительной эксплуатации Кочкарского месторождения системами с открытым очистным пространством образовалось большое количество пустот, разделенных рудными и безрудными целиками. Совокупность горно-геологических условий залегания месторождения, физико-механических свойств пород, большой изрезанности массива и низкой интенсивности ведения горных работ могут способствовать проявлению горного давления, в том числе и в динамической форме.
80-100 М
Рис. 1. Конструкция системы разработки подэтажных штреков
В 1987-1990 годах Институтом физики и механики горных пород АН Киргизской ССР [4] совместно с работниками производственного объединения «Южуралзолото» проведены теоретические и экспериментальные исследования на глубине 512 метров, направленные на разработку методики оценки степени уда-роопасности участков Кочкарского месторождения, склонного к горным ударам, методом геомеханических аналогий.
Результаты испытаний физико-механических свойств пород, проведенных Пермским политехническим институтом (ППИ), приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства пород Кочкарского месторождения на глубине 512 метров
Породы Предел Предел Модуль уп- Коэфф.Пуассона,
прочности прочности ругости, Ц
на сжатие, на растяже- Е*10-5
б„ [МПа] ние, браст [МПа]
[МПа]
Плагиогранит 360 15 7 0,38
«Табашка» 143 16 9 0,34
Таблица 2
Значения напряженного состояния нетронутого массива глубоких горизонтов Кочкарского месторождения на глубине 512 метров
Порода Величины напряжений Расчетное 6г=уН, МПа Глубина измерения Н, м
Ö* öv öz
Плагиогранит 47 22 10 12,5 512
Испытания напряженного состояния нетронутого массива на Кочкарском месторождении проведены двумя методами: по методике М.В. Гзовского и методом полной разгрузки. Результаты исследований напряженного состояния нетронутого массива приведены в табл. 2.
Анализ результатов натурных экспериментов показал, что горизонтальные напряжения не равны между собой (5Х и превышают вертикальные в 2-4 раза. Максимальные сжимающие напряжения 5Х направлены субмеридианально и перпендикулярно залеганию геологических структур.
В связи с понижением уровня горных работ появилась необходимость в исследовании напряженно-деформированного состояния массива на глубоких горизонтах, направленного на выявление степени удароопасности участков месторождения, определении физико-механических свойств пород, составление рекомендаций по оценке удароопасности участков Кочкарского месторождения, Указаний по безопасному ведению горных работ на участках Кочкарского месторождения на глубине более 512 метров, склонных к горным ударам.
Оценка напряженного состояния нетронутого массива на Кочкарском месторождении на глубоких горизонтах (600, 650, 700 м.) проведена с использованием известного метода щелевой разгрузки (рис. 2) [5].
Данный метод основан на взаимосвязи между действующими напряжениями и деформациями Рцс- 2- Схема щелевой разгрузки: 1 - щель; 2
- микрометр; 3 - реперы; 4 - горный массив
упругого восстановления элемента горной породы, проявляющимися в процессе нарушения связи этого элемента с окружающим массивом. Сущность метода заключалась в следующем: в прилегающем к горной выработке монолитном массиве выбуривались 2 шпура на определенном расстоянии, в которых расклинивались реперы; микрометр устанавливался между реперами и его показания обнулялись; после чего алмазным диском прорезалось щель между реперами; по истечению определенного времени расстояние между реперами снова замерялись микрометром. Замеры напряжений проводились в бортах выработок, пройденных непосредственно по жилам или пересекающих их на горизонтах 600 м., 650 м., 700 м. К жилам, в которых проводились исследования, относятся: Северная Александровская, Северная Николаевская, Дегтярско-Кузнецовская, Сретенская, Северная Октябрьская, Октябрьская, Юбилейная. В каждой точке в выработке производились замеры для определения вертикальных и горизонтальных компонент. Для определения упругих характеристик пород в точках замеров отбирались и исследовались образцы пород. Результаты исследований напряженного состояния нетронутого массива приведены в табл. 3.
Анализ результатов натурных экспериментов показал, что горизонтальные напряжения на глубоких горизонтах (более 512 м) не равны между собой (5Х ^5у) и превышают вертикальные в 2-2,6 раза [6]. Максимальные сжимающие напряжения 5х преимущественно направлены субмеридионально, вкрест простирания геологических структур. Установлено, что измеренные величины
Таблица 3
Значения напряженного состояния нетронутого массива глубоких горизонтов Кочкарского месторождения
Порода Величины напряжений, МПа Расчетное 6г=уН, МПа Глубина измерения Н, м
6х 6у бг
Плагиогранит 55,1- 33,06- 22,4- 16,8 600
56,3 35,7 24,7
59,7- 36,5- 25,1- 18,2 650
60,5 37,3 28,4
63,8- 40,5- 31,6- 19,6 700
64,6 41,7 33,1
вертикальной компоненты напряжений на 30-70 % превышают значения расчетных величин 16,8; 18,2; 19,6 МПа, определяемые весом налегающей толщи пород (при глубинах 600, 650, 700м.), что объясняется влиянием очистных и подготовительных выработок на вышележащих горизонтах, а также большой изрезанно-стью Кочкарского рудного поля тектоническими нарушениями различного рода.
Для определения деформационных характеристик при одноосном сжатии были проведены испытания согласно ГОСТ 28985-91 «Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии» с использованием системы мониторинга «ТЕРЕМ-4.1». Результаты испытаний физико-механических свойств пород приведены в табл. 4.
По полученным значениям физико-механических свойств пород, слагающих Кочкарское месторождение, были построены паспорта прочности и определены значения сцепления и угла внутреннего трения. Результаты значений сцепления и угла внутреннего трения, согласно данным паспортов, приведены в табл. 5.
Таблица 4
Физико-механические свойства горных пород глубоких горизонтов Кочкарского месторождения
Породы Предел Объем- Предел Коэффици- Модуль Ко-
прочно- ный вес, прочности ент крепо- упругости, эфф.Пуассона,
сти на г/см3 на растяже- сти по М. Е*105 Ц
сжатие, ние, браст Протодья- [МПа]
бсж [МПа] конову
[МПа]
Плагио- 109,3 - 2,78 — 18,4-22,5 11,2-13,6 0,6 — 0,29 — 0,36
гранит 164,0 2,81 0,66
«Табаш- 86,9 - 2,36 - 15,0-18,3 6,5-8,0 0,8 - 0,84 0,22 - 0,26
ка» 130,4 2,40
Таблица 5
Значения сцепления и угла внутреннего трения пород глубоких горизонтов Кочкарского месторождения
Породы Сцепление, МПа Угол внутреннего трения, 0
Плагиогранит 25,5-27,1 45,6-47,0
«Табашка» 20,8-21,2 46,8-47,8
-Плагиогранит -Табашка
512 600 650 700
Глубина отбора образца, м
■9-
■е-
- Плагиогранит -Табашка
512 600 650 700
Глубина отбора образца, м
Рис. 3. Графики изменения физико-механических свойств с увеличением глубины: а — модуля упругости; б — коэффициента Пуассона
а
б
С увеличением глубины прослеживается тенденция к росту напряжений в массиве как вертикальных, так и горизонтальных, что может привести к росту числа проявлений горного давления в динамической форме. Значения модуля упругости и коэффициента Пуассона пород с увеличением глубины снижаются: для пла-гиогранита на 15 % и 24 %; для «табашки» на 12 % и 35 % соответственно.
70
горизонтальные напряжения, направленные вкрест простирания геологичеких труктур
вертикальные напряжения
горизонтальные напряжения, направленные по простиранию геологичеких труктур
512 600 650 700
Глубина проведения замеров, м
Рис. 4. График зависимости величины напряжений от глубины
Анализ результатов определения физико-механических свойств пород, слагающих Кочкарское месторождение, и оценка пород по различным деформационным критериям, показали, что породы на глубине более 512 метров являются высокомодульными, хрупкими, прочными, способными накапливать упругую энергию и высвобождать ее в динамической форме.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дьяковский Б. Дополнение к отчету по прогнозу удароопасности;
2. Приказ Ростехнадзора от 02.12.2013 N 576 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрировано в Минюсте России 04.04.2014 N 31822);
3. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. Специальный выпуск журнала. М.: Геоинформмарк, 2007;
4. Рекомендации по оценке удароопасности участков Кочкарского месторождения методом геомеханических аналогий. Фрунзе, 1990;
5. Влох Н.П., Зубков А.В., Феклистов Ю.Г. Совершенствование метода щелевой разгрузки // Диагностика напряженного состояния породных массивов: Сб. науч. тр. / ИГД СО АН СССР. Новосибирск, 1980, с.30-35;
6. Калмыков В.Н., Кульсаитов Р.В., Самойленко Д.П. Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород глубоких горизонтов Кочкарского золоторудного месторождения //Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр. - М.: ИПКОН РАН. - 2014, с. 104-107.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Калмыков Вячеслав Николаевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, prmpi@magtu.ru,
Кульсаитов Равиль Вадимович — аспирант, ravil-ka90@mail.ru, Волков Павел Владимирович — кандидат технических наук, wolf1709@rambler.ru,
Неугомонов Сергей Сергеевич — кандидат технических наук, ssn_00@mail.ru, Самойленко Дмитрий Павлович — ассистент, samoil7@yandex.ru, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
UDC 622.34;622.83
THE STUDY OF STRESS-STRAIN STATE OF A ROCK MASS DEEP HORIZONS KOCHKAR GOLD DEPOSIT
Kalmyikov Vyacheslav, Head of Department, Professor, Doctor of Technical Sciences,
Kulsaitov Ravil, graduate student, ravil-ka90@mail.ru,
Volkov Pavel Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences,
Neygomonov Sergei Sergeevich, Candidate of Technical Sciences,
SamoilenkoDmitri'Pavlovich, assistant,
Magnitogorsk State Technical University. G.I. Nosov
Studies of stress-strain state (SSS) of the array at the upper levels, SSS assessment of rocks Kochkar gold deposits in deep levels, research of physical and mechanical properties of rocks, the regularities of changes of parameters of horizontal and vertical stresses associated with lowering of the level of mining works.
Keywords: Kochkar gold field, intense the deformed condition of the massif, pla-giogranite, «tabashka», rock burst hazard, physic-mechanical properties.
REFERENCES
1. B. Dyakovsky. Addition to the report on the rock burst hazard forecast.
2. Rostekhnadzor order of 02.12.2013 N 576 «About the statement of Federal norms and rules of industrial safety «Situation on safe conducting mining operations on the fields inclined and dangerous on mountain blows» (It is registered in the Ministry of Justice of the Russian Federation 04.04.2014 N 31822).
3. Mineral resources of Russia. Economy and management. Special issue of the magazine. Moscow: Geoinformmark, 2007.
4. Recommendations about an assessment of an rockburst hazard of sites of the Kochkar-sky field method of geomechanical analogies. Frunze, 1990.
5. Vlokh N. P., Zubkov A.V., Feklistov Yu.G. Improvement of a method of slot-hole unloading//Diagnostics of a tension of pedigree massifs: C.s.p. / IGD FROM Academy of Sciences of the USSR. Novosibirsk, 1980, Pp. 30-35.
6. Kalmykov V.N., Kulsaitov R. V., Samoylenko D.P. Research intense the deformed condition of the massif of rocks of the deep horizons of the Kochkarsky gold field//Problems and prospects of complex development and preservation of bowels of the earth. Moscow, IPKON RAHN, 2014, Pp. 104-107.
