CC BY
21УДК504.55.054:622(470.6)
МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СБАЛАНСИРОВАННОСТИ ПРИ ДОБЫЧЕ РУД
Голик В.И. - доктор технических наук, профессор, Северо-Кавказский государственный технологический университет, главный научный сотрудник Геофизического института Владикавказского научного центра РАН, [email protected]
Савелков В.И. - аспирант кафедры горное дело, Северо-Кавказский государственный технологический университет
Гашимова З.А. - старший преподаватель кафедры информатики, Северо-Кавказский государственный технологический университет
Келехсаев В.Б. - испытательный центр «ИРИСТОН», Северо-Кавказский государственный технологический университет
Аннотация: на примере Садонского месторождения обоснованы модели взаимодействия природных и технических систем на основе геомеханической сбалансированности при подземной добыче руд. Проанализированы явления в рудовмещающем породном массиве в результате совместного воздействия природных и техногенных напряжений, которые описываются гипотезами, представляющими массивы состоящими из дискретных породных блоков, например, Ветрова С.В. с синергетическим эффектом, создающие новые поля. Уточнены основы управления геомеханикой массивов и земной поверхности в районе освоения недр с обеспечением их сохранности в течение неопределенно долгого периода времени. Приведены результаты моделирования техногенных напряжений на низкомолекулярных материалах. Предложена схема управления напряжениями в массиве путем разделения его на геомеханически сбалансированные участки. Приведены результаты моделирования порядка отработки месторождения на состояние массива при сплошной, отступающей и двухстадийной выемке. Дана модель прочности элементов природно-техногенной системы. Основным способом предупреждения катастрофических геодинамических явлений в массивах Садонских полиметаллических месторождений и их окрестностей является ограничение величины и направления напряжений и корректировка несущей способности пород во времени и пространстве технологическими методами. Комплекс разработанных моделей обеспечивает минимизацию катастрофических масштабов связанных друг с другом природных и технологически наведенных полей напряжений. Показано, что управление рудовме-щающими массивами на геомеханической основе является реальным резервом упрочнения экономики за счет снижения разубоживания и потерь при добыче руд.
Ключевые слова: месторождение, модель взаимодействия, геомеханика, подземная добыча, напряжения, массивы, управление геомеханикой.
Введение.
стория промышленной разработки Садонских месторождений насчитывает почти 200 лет. Рудовме-щающий массив и земную поверхность сохраняли от обрушения оставлением рудных целиков [1...3].
В современной горной практике проблемы безотходной и ресурсосберегающей разработки решают с использованием природоохранных технологий, сущность которых сводится к следующим
положениям [4...7]:
- закладка технологических пустот;
- выщелачивание руд с использованием хвостов выщелачивания для управления геомеханикой массивов.
Явления, происходящие в массиве в результате совместного воздействия природных и техногенных напряжений, описываются гипотезами, представляющими массивы, состоящими из дискретных породных блоков, например, Ветрова С.В., которые с синергетическим эффектом создают новые поля.
Изучение особенностей скальных массивов, свойства пород и массивов и поведение их в процессе добычи полезных ископаемых является целью современных исследований по существу проблемы. На основании получаемых аналитически и экспериментально сведений совершенствуется методика управления массивом, в том числе, технологии управления состоянием пустот и методы их оптимизации.
Цели и задачи. Целью исследования является обоснование параметров природоохранных технологий управления массивом, которые сохраняли бы сбалансированность массивов и земной поверхности в районе освоения недр.
Цель достигается решением ряда задач, объединенных комплексным учетом влияний напряжений на поведение массива в результате техногенного вмешательства [8...10].
Методы. Методика исследования включает в себя систематизацию и анализ теоретических положений по существу проблемы, экспериментальное доказательство обсуждаемых вопросов моделированием с критическим анализом полученных результатов и научное прогнозирование перспектив.
Результаты. При отработке запасов руд критерием эффективности технологии является профилактика критических напряжений в массиве. Уровень техногенных напряжений определяется моделированием
на низкомолекулярных материалах с фоторегистрацией результатов. Условие устойчивости:
d -а2 > sin^ +а2)+асж + (l + sin¿)
где z1 - горизонтальные напряжения; z2 -вертикальные напряжения; ó - угол внутреннего трения, градус; осж - угол внутреннего трения.
Напряжение в массиве:
GH = yHG
M
d
В
где у - плотность пород, т/м3; Н - глубина нахождения точки, м; аВ - напряжение в модели.
Боковой распор 0.5, 1.0, 1.5; угол наклона си л ового вектора к вертикальной оси а = 0; модуль закладки 0,1 МПа, модуль вмещающих пород - 1,4 МПа.
Напряжения в модели:
= с1'0 х п
гд е с1,0 = 0,1 кгс/см2 на одну полосу; п -номер полосы в точке модели.
Варианты состояния очистных камер: без закладки и с закладкой.
При коэффициенте бокового распора X = 0,5 максимальные напряжения в зонах замков свода и стенках камер равны 7,6*7,5 = 57 МПа, а вершине свода потолочины 7,6*2 = 15МПа. В междукамерном целике максимальные сжимающие напряжения составили 7,6*6,5 = 49 МПа (рис. 1).
Рис. 1. Напряжения при коэффициенте бокового распора 0,5: слева - открытая камера; справа - заложенная камера
При коэффициенте бокового распора X = 1,0 в зонах замков свода, потолочине и стенках камеры напряжения составляют:
7,6x6,5 = 49 МПа. В целике максимальные напряжения снижаются: 7,6x5,5 = 42 МПа (рис. 2).
Рис. 2. Напряжения при коэффициенте бокового распора 1,0: слева - открытая камера; справа - заложенная камера
При коэффициенте бокового распора X = 1,5 в зонах замков свода потолочины и стенки камеры напряжения составляют
7,6х 6 ,5 = 49 МПа, а в своде потолочины до 7,6x8,5 = 64 МПа против 15 при коэффициенте бокового распоре 0,5 (рис. 3).
Рис. 3. Напряжения при коэффициенте бокового распора 1,5: слева - открытая камера; справа - заложенная камера
При изменении коэффициента бокового закладки в междукамерных целиках величи-распора от 0,5 до 1,5 напряжения в потоло- на напряжений увеличивается. Результаты
моделирования сводятся к следующему:
- эффективность технологий добычи коррелятивно зависит от уровня напряжений в массиве;
- надежное управление геомеханикой массива обеспечивается при заполнении пустот твердеющими смесями.
чине увеличились от 41 МПа до 140 МПа.
Максимальные напряжения на контурах камеры и в замках потолочины развиваются при коэффициенте бокового распора 1,5. Закладка камер твердеющими смесями снижает уровень напряжений в потолочине примерно в 2 раза. При вариантах без
Рациональна схема управления массивом с разделением его на геомеханически сбалансированные участки, обеспечивающие безопасность работ не только во время выемки, но и в течение неопределенно долгого периода времени (рис. 4).
Рис. 4. Уменьшение пролета выработки разделением массива на геомеханически сбалансированные участки: 1 - выработка; 2 - первичный свод естественного равновесия; 3 - разделяющий массив; 4 - вторичный свод естественного равновесия
Выбор технологии для отработки месторождений осуществляется с учетом фактора ухудшения качественных показателей разработки при разрушении массива.
Влияние порядка отработки месторождения на состояние массива моделировали для вариантов сплошной, отступающей и двухстадийной выемки (рис. 5). Показатель величины горного давления фиксировали приборами. Сдвижения фиксировали реперами. Глубина работ - 400 м; объемный вес пород - 2,8 т/м3; прочность пород на сжатие - 1000 кг/см3; угол падения залежи -200; высота выработки - 3 м.
а)
б)
в)
Рис. 5. Варианты выемки руд: а - сплошная; б - сплошная в отступающем порядке; в - двух-стадийная; г - схема модели
Масштаб моделирования 1:200. Породы и руды имитированы песчано-цементной смесью в соотношении 15:1 при водоцемент-ном отношении 1,7. Расход компонентов: п есок - 170 кг, цемент марки 400 - 12 кг, вода - 20 л на 1 м3.
Ненарушенность массива выработками в модели «а» способствует равномерному распределению опорного давления. В модели «б» проходка выработок увеличивает напряжения на 20...30 %. В модели «в» концентрация напряжений увеличивается до максимальных размеров из-за увеличения площади подработки, особенно при уменьшении размеров целиков.
Устойчивость земной поверхности над в ыработанном месторождении гарантируется от возникновения воронок, провалов зон сдвижений при условии:
Н > Hp = 551 экв./-13 = К1 же _ Ь-X
экв I ~
л/ь2 + (X')2
где Н - глубина верхней границы выработанного пространства, м; Нр - расчетная глубина развития неопасных напряжений, м; /экв - эквивалентный пролет, м; / - коэффициент крепости пород по Протодьяконову; L - размер выработанного пространства по простиранию; / - горизонтальная проекция выработанного пространства вкрест простирания; К - коэффициент запаса надежности.
Условие обеспечения безопасности земной поверхности от деформаций:
V
> 6
где S - площадь выработанного пространства, м2; V - объем выработанного простран-
3
ства, м .
Оптимизация параметров технологических процессов на геомеханической основе минимизирует величину деформаций. Условие прочности элементов природ-но-техногенной системы определяется моделью:
<yx ±<&сж =
aL = J Xfx(dXL, dx1..dxn)
^ <
]fx(dHs )
о
°]fx(dHs + dHc )
в
при Hc = H = { fx(dH)
где о1 - вертикальная составляющая главных работок, м; HS - высота закладочного масси-
напряжений; а2,3 - горизонтальные составля- ва, м.
ющие главных напряжений, МПа; к - ^= Ту е к,
коэффициент влияния геологических усло- = ^•^•к,
вий; осж - напряжения в верхнем слое пород, где о - напряжения; е - деформации; Ту
МПа; а° - напряжения в зоне влияния выра- и Тп - тензоры, соответственно, упругости и
ботки, МПа; - остаточная прочность податливости; к - коэффициент дискрет-
разупрочненных пород, МПа; Z0 - плоский ности.
пролет обнажения пород кровли, м; хь...хи - Зависимость качественных показателей
характеристики пород; сзакл - прочность разработки месторождения от состояния
закладочного массива при сжатии, МПа; В - скальных массивов описывается моделью
ширина зоны обрушения; Н - высота зоны [11...13]: обрушения, м; Нс - высота зоны влияния вы-
а
■ ьк=\\z fx dx2.....dXn)^ п R=£ f ■ x(dh*+dh)
где z - напряжения в зоне влияния выработок, МПа; Кз - коэффициент корректировки напряжений; lmax, lmin - пролеты обнажения пород, м; xb..xn - технологические, физико-механические и иные характеристики; П -потери руд, доли ед.; R - разубоживание руд породами, доли ед.; h3 - высота закладочного массива, м; hn - высота влияния горных выработок, м.
Результаты исследования согласуются с результатами аналогичных исследований других авторов [14...18].
Выводы. Основным способом предупреждения катастрофических геодинамических явлений в массивах Садонских полиметаллических месторождений и их окрестностей является ограничение величины и направления напряжений и корректировка несущей способности пород во времени и пространстве технологическими методами.
Управление массивами на геомеханической основе является резервом упрочнения экономики горного предприятия за счет повышения качества добываемых руд.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian
Caucasus ore deposit development // Journal of the Social Sciences. 2016. Т. 11. № 15. С. 3742-3746.
2. Голик В.И., Якименко А.Д., Цидаев Т.С. Садонские месторождения: история и проблемы разработки // Горный журнал. 2004. № 10. С. 025-028.
3. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Карги-нов К.Г. Основа устойчивого развития РСО-Алания - горнодобывающая отрасль// Устойчивое развитие горных территорий. Владикавказ. 2017. №2(32). С.163-171.
4. Dold B., Weibel L. Biogeometallurgical pre-mining characterization of ore deposits: An approach to increase sustainability in the mining process // Environmental Science and Pollution Research. 2013. V. 20. №. 11. P. 7777-7786.
5. Stefanov Yu.P., Chertov M.A., Ai-dagulov G.R., Myashikov A.V. Dynamics of inelastic deformation of porous rocrs and formation of localized compaction zones studied by numerical modeling // J. Mech. and Phys. Solids. 2011. Vol. 59, No. 11.
6. Yunjin H., Guolong C., Weiping C., Zhenjun Y. Simulation of hydraulic fracturing in rock mass using a smeared crack model // Computers and Structures. 2014. Vol. 137. P. 72-77.
=
з акл
о
<
=
з акл
о
о
7. Яковлев Д.В., Цирель С.В., Мулев С.Н. Закономерности развития и методика оперативной оценки техногенной сейсмической активности на горных предприятиях и в горнодобывающих регионах // ФТПРПИ. 2016. № 2. С. 34-47.
8. Haeri H., Shahriar K., Fatehi Marji M., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 67. P. 20-28.
9. Козырев А.А., Федотова Ю.В., Журавлева О.Г. Вероятностный прогноз сейсмо-опасных зон в условиях удароопасных месторождений Хибинского массива // Вестник МГТУ. 2014. Том 17. № 2. С. 225-230.
10. Анохин А.Г., Семенько К.А., Дарби-нян Т.П., Цирель С.В., Мулёв С.Н. Методология учета степени влияния нарушенности рудопородного массива на сейсмический риск // Горный журнал. 2014. № 4. С. 19-24.
11. Shojaei A., Dahi Taleghani A., Li G. A continuum damage failure model for hydraulic fracturing of porous rocks // International Journal of Plasticity. 2014. Vol. 59. P. 199-212.
12. Reiter K., Heidbach O. 3-D geomechani-cal-numerical model of the contemporary crustal stress state in the Alberta Basin (Canada). Solid Earth. 2014. №5. Р. 1123-1149.
13. Протосеня А. Г., Куранов А. Д. Методика прогнозирования напряженно-деформированного состояния горного массива при комбинированной разработке Коа-швинского месторождения // Горный журнал. 2015. № 1. С. 67-71.
14. Чунуев И. К. Методика определения качества породных массива на начальных стадиях проектирования. Программа DIPS // Известия КТУ им. И. Раззакова. 2014. № 33. С. 554-557.
15. Юн А.Б., Рыльникова М.В., Теренть-ева И.В. О перспективах и стратегии освоения Жезказганского месторождения // Горный журнал. 2015. № 5. С. 44-49.
16. Голик В.И. Концептуальные подходы к созданию мало- и безотходного горнорудного производства на основе комбинирования физико-технических и физико-химических геотехнологий // Горный журнал. 2013. № 5. С. 93-97.
17. Голик В.И., Комащенко В.И., Качу-
рин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. № 4. С. 76-88.
18. Голик В.И., Комащенко В.И., Шку-ратский Д.Н. Оптимизация состава твердеющих смесей по геомеханическим условиям при подземной разработке рудных месторождений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. № 3. С. 164-176.
19. Галаов Р.Б., Звездкин В. А., Шабаров А.Н. Геомеханическое обоснование безопасных способов разработки тектонически напряженных блоковых структур рудных залежей Талнахского узла // Горный журнал. 2013. № 12. С. 17-21.
REFERENCES
1. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian Caucasus ore deposit development // Journal of the Social Sciences. 2016. Т. 11. № 15. S. 3742-3746.
2. Golik V.I., YAkimenko A.D., Cidaev T.S. Sadonskie mestorozhdeniya: istoriya i problemy razrabotki // Gornyj zhurnal. 2004. № 10. S. 025-028.
3. Golik V.I., Razorenov YU.I., Karginov K.G. Osnova ustojchivogo razvitiya RSO-Alaniya - gornodobyvayushchaya otrasl' // Ustojchivoe razvitie gornyh territory. 2017. №2(32). S.163-172.
4. Dold B., Weibel L. Biogeometallurgical pre-mining characterization of ore deposits: An approach to increase sustainability in the mining process // Environmental Science and Pollution Research. 2013. Vol. 20. № 11. S. 77777786
5. Stefanov Yu.P., Chertov M.A., Ai-dagulov G.R., Myashikov A.V. Dynamics of inelastic deformation of porous rocrs and formation of localized compaction zones studied by numerical modeling // J. Mech. and Phys. Solids. 2011. Vol. 59. No. 11.
6.Yunjin H., Guolong C., Weiping C., Zhenjun Y. Simulation of hydraulic fracturing in rock mass using a smeared crack model // Computers and Structures. 2014. Vol. 137. S. 72-77.
7. Yakovlev D.V., Cirel' S. V., Mulev S.N. Zakonomernosti razvitiya i metodika opera-tivnoj ocenki tekhnogennoj sejsmicheskoj aktivnosti na gornyh predpriyatiyah i v gor-nodobyvayushchih regionah // FTPRPI. 2016. № 2. S. 34-47.
8. Haeri H., Shahriar K., Fatehi Marji M., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 67. S. 20-28.
9. Kozyrev A.A., Fedotova Yu.V., ZHurav-leva O.G. Veroyatnostnyj prognoz sejsmoopasnyh zon v usloviyah udaroopasnyh mestorozhdenij Hibinskogo massiva // Vestnik MGTU. 2014. T. 17. № 2. S. 225-230.
10. Anohin A.G., Semen'ko K.A., Darbin-yan T.P., Cirel' S.V., Mulyov S.N. Metodologi-ya ucheta stepeni vliyaniya narushennosti rudo-porodnogo massiva na sejsmicheskij risk // Gornyj zhurnal. 2014. № 4. S. 19-24.
11. Shojaei A., Dahi Taleghani A., Li G. A continuum damage failure model for hydraulic fracturing of porous rocks // International Journal of Plasticity. 2014. Vol. 59. S. 199-212.
12. Reiter K., Heidbach O. 3-D geomechani-cal-numerical model of the contemporary crustal stress state in the Alberta Basin (Canada). Solid Earth. 2014. №. 5. S. 1123-1149.
13. Chunuev I. K. Metodika opredeleniya kachestva porodnyh massiva na nachal'nyh sta-
diyah proektirovaniya. Programma DIPS // Izvestiya KTU im. I. Razzakova. 2014. № 33. S. 5 54-5 57.
14. Yun A.B., Ryl'nikova M.V., Terent'eva I.V. O perspektivah i strategii osvoeniya Zhezkazganskogo mestorozhdeniya // Gornyj zhurnal. 2015. № 5. S. 44-49.
15. Golik V.I. Konceptual'nye podhody k sozdaniyu malo i bezothodnogo gornorudnogo proizvodstva na osnove kombinirovaniya fiziko -tekhnicheskih i fiziko-himicheskih ge-otekhnologij // Gornyj zhurnal. 2013. № 5. S. 93-97.
16. Golik V.I., Komashchenko V.I., Kachurin N.M. Koncepciya kombinirovaniya tekhnologij razrabotki rudnyh mestorozhdenij // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universi-teta. Nauki o Zemle. 2015. № 4. S. 76-88.
17. Golik V.I., Komashchenko V.I., Shku-ratskij D.N. Optimizaciya sostava tverdeyush-chih smesej po geomekhanicheskim usloviyam pri podzemnoj razrabotke rudnyh mestorozh-denij // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. № 3. S. 164-176.
18. Galaov R.B., Zvezdkin V.A., Shabarov A.N. Geomekhanicheskoe obosnovanie be-zopasnyh sposobov razrabotki tektonicheski napryazhennyh blokovyh struktur rudnyh zalezhej Talnahskogo uzla // Gornyj zhurnal. 2013. № 12. S. 17-21.
MODELS OF INTERACTION OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEMS BASED ON GEOMECHANICAL BALANCE IN THE EXTRACTION OF ORES
Golik V.I, Savelkov V.I, Gashimova Z.A, Kelekhsaev V.B.
Annotation: based on the example of the Sadonskoye deposit, models for the interaction of natural and technical systems based on the geomechanical balance in underground ore mining are substantiated. The phenomena in the ore-hosting rock mass are analyzed as a result of the combined effect of natural and man-made stresses, which are described by hypotheses representing arrays consisting of discrete rock blocks, for example, S.Vetrova. with a synergistic effect creating new fields. The fundamentals of the management of geomechanics of massifs and the earth's surface in the area of subsoil development with the provision of their preservation for an indefinite long period of time have been specified. The results of modeling technogenic stresses on low-molecular materials are presented. A scheme for controlling stresses in an array by dividing it into geomechani-cally balanced sections is proposed. The results of simulation of the order of mining of the deposit on the state of the array with a continuous, receding and two-stage excavation are given. The model of the strength of elements of the natural and technogenic system is given. The main way to prevent catastrophic geodynamic phenomena in the massifs of the Sadon polymetallic deposits and their environs is to limit the magnitude and direction of stresses and to adjust the bearing capacity of the rocks in time and space by technological methods. The complex of developed models provides minimization of catastrophic scales of natural and technologically induced stress fields connected with each other. It is shown that the management of ore-bearing arrays on a geomechanical basis is a real reserve of strengthening the economy by reducing dilution and losses during ore mining.
Key words: deposit, interaction model, geomechanics, underground mining, tension, arrays, geomechanics control.
© Голик В.И., Савелков В.И., Гашимова З.А., Келехсаев В.Б., 2018
Голик В.И., Савелков В.И., Гашимова З.А., Келехсаев В.Б. Модели взаимодействия природных и технических систем на основе геомеханической сбалансированности при добыче руд //Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №2. С. 21-28.
Golik V.I., Savelkov V.I., Gashimova Z.A., Kelekhsaev V.B., 2018. Problems Models of interaction of natural and technical systems based on geomechanical balance in the extraction of ores. Vector of Geosciences. 1(2): 21-28.
