CC BY
16
УДК 622.834
ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ЗАВЕРШЕНИЯ ПРОЦЕССА ВОРОНКООБРАЗОВАНИЯ
Е.Ю. Ефремов
Предложен критерий определения завершения воронкообразования. Показано, что в связи с неравномерностью развития процесса воронкообразования, опираться только на изменение скорости деформаций в течение определенного времени не является достаточным критерием, чтобы судить о завершенности процесса. Дополнительным критерием завершенности процесса предлагается использовать пороговый расчетный объём воронки обрушения, который связан с размерами очистного пространства коэффициентом разрыхления обрушенных пород. Показано, что при разработке рудных месторождений подземным способом коэффициент разрыхления зависит от соотношения осадочных и скальных пород в массиве над выработанным пространством.
Ключевые слова: мониторинг, сдвижение горных пород, первичная воронка, коэффициент разрыхления, обрушение кровли.
Введение
При подземной разработке месторождений системой с обрушением кровли вмещающих пород и формированием зоны воронкообразования и провалов на земной поверхности встает ряд актуальных задач, связанных с ведением горных работ в области мульды сдвижения.
Нормативная документация запрещает ведение горных работ в зоне воронкообразования, исключением являются работы по засыпке воронок и складированию вскрышных пород, при условии, что в данной зоне процесс воронкообразования завершился [1]. Таким образом, важной научно-технической задачей является определение критериев, на основе которых, можно судить о завершении процесса воронкообразования, или его текущей стадии.
В современной литературе много внимания уделяется различным методам мониторинга земной поверхности, сдвижения горных пород и подрабатываемых объектов, среди которых наблюдения проводят с помощью электронно-оптических средств [2] и ГНСС [3-5], наземным лазерным сканированием [6-8] и наземными интерферометрическими радарами [9] и др. Помимо вопросов методов и техники измерения деформаций, при мониторинге остро встает вопрос критериев оценки деформирования земной поверхности. Наиболее распространенными критериями оценке деформационных процессов являются критерии, связанные с величиной деформации или скоростью деформирования земной поверхности [10].
Накопленный за последние несколько десятков лет опыт в изучении процессов деформирования земной поверхности на ряде рудных месторождений Урала и Казахстана показывает, что одной из существенных
черт процесса воронкообразования является неравномерность протекания. Примером внезапного проявления процесса является обрушение земной поверхности на Сарановском месторождении хромитов. 8 июля 2013 г, Во время обрушения кровли одной из камер на глубине около ста метров на южном фланге месторождения, в воронку попало 5 единиц техники, находившейся на земной поверхности. Обрушение произошло ночью, приблизительно в 02:00 по местному времени, когда рабочего персонала не было. Граница воронки овальной формы, длинной 220 м, шириной 160 м и глубинной 60 м, прошла на расстоянии 2 метров от будки охранника, поэтому обошлось без человеческих жертв. Наблюдения на профильной линии, непосредственно попавшей в воронку, проведенные за день до описываемого события демонстрируют, что изменение превышений земной поверхности на этом интервале, в течении 12 месяцев предшествующих обрушению составили 2 мм, что соответствует вертикальной деформации 1=0,07-10"3 , и лишь немногим превышает погрешность измерения. Такое поведение свойственно не только обрушениям земной поверхности при подземной разработке, но и обрушениям бортов карьеров при открытой разработке полезных ископаемых [11].
Накопленная информация позволяет заключить, что появление обрушения, в отличие от естественных оползней склонов, где скорость деформирования может нарастать в течение недель и месяцев является внезапным. Имеющиеся наблюдения показывают, что земная поверхность в течении нескольких недель и месяцев, предшествующих обрушению может испытывать незначительные деформации, которые резко увеличивают скорость, до десятков мм/сутки непосредственно перед обрушением. Результаты наблюдений показывают, что после образования воронки, в течение длительного периода времени ее размеры могут оставаться неизменными. Затем размеры могут резко увеличиться, при этом увеличение радиуса воронки может достигать первых десятков метров.
Таким образом, в связи с неравномерностью скорости протекания процесса, только величина деформаций и/или скорость деформирования не могут являться надежными критериями завершения процесса воронкооб-разования, Целью дальнейших исследований является определение дополнительного критерия завершения процесса.
Методика исследований
Для выработки критерия завершения процесса воронкообразования следует обратиться к рассмотрению процесса обрушения. Механизм образования обрушения в отечественной литературе рассмотрен достаточно подробно [12, 13]. В ходе самообрушения или принудительного обрушения массив пород образует разрыхленную массу, заполняющую сначала пустое очистное пространство, а затем полость канала обрушения. Активная фаза воронкообразования заканчивается, при заполнении пустого объ-
ема разрыхленной массой. Далее следует затухающее оседание, связанное с уплотнением разрыхленного массива пород.
В этом свете существенным критерием представляется достижение расчетного объема воронки обрушения, связанного с размерами выработанного пространства очистной единицы. Следовательно, задача сводится к определению взаимосвязи между параметрами выработанного очистного пространства и параметрами воронок на земной поверхности. Параметром, связывающим объём выработанного пространства с размерами воронок обрушения является коэффициент разрыхления массива обрушенных пород Кр. Коэффициент разрыхления разрушенных пород определяется как отношение объёма массива до обрушения Ум к объёму обрушенного массива Уобр, Кр = Ум / Уобр. Под ¥м подразумевается исходный объём массива над очистным пространством, вовлеченного в процесс обрушения, который равен объему канала обрушения. Объем канала описывается следующими параметрами: Ум = 8эфНкр, где Бэф - эффективная площадь разрушаемого горизонтального сечения канала обрушения, м2; Нкр - расстояние от кровли до земной поверхности, м. Объём разрушенного массива определяется как объем разрыхленного обрушением массива пород, полностью заполнившего пространство очистной камеры, и частично заполнившего канал обрушения, за исключением пространства воронки на поверхности земли (рис. 1) Уобр = Ум + Убл - Уеор, где Уобр - объём разрушенного массива, м3; Увор - объём воронки на земной поверхности, м3; Убл - объём пустот в
3
очистном пространстве выемочной единицы, м .
При моделировании выхода первичной воронки на поверхность используется ряд допущений:
1. При условии, что глубина работ значительно (более чем в 5 раз) превышает линейные размеры очистных единиц, площадь эффективного горизонтального сечения в процессе развития обрушения остается постоянной от кровли камеры до земной поверхности, не зависит от формы выработанного пространства и связана следующим отношением с площадью очистного блока: 8эф = 0,25л£бл , где Ббл - средняя площадь горизонтального сечения очистной единицы, м2.
Данное допущение подтверждается результатами разведочного бурения, проведенного на ш. Соколовская в 70 - 80х гг прошлого века, когда было определено на практике, что независимо от формы очистной единицы, на определенном расстоянии от кровли очистных единиц, канал обрушения представляет собой фигуру близкую к цилиндру.
2. При заполнении пространства цилиндрической полости (на рис. 1 - Ь), образующейся во время первичной воронки от одной очистной единицы на поверхность, формируется конусовидная воронка (на рис.1 - а), с углом между образующей и горизонтальной плоскостью, равной углу есте-
ственного откоса. Объем конусовидной воронки a при этом равен объему цилиндрической полости Ь.
S3ф - площадь эффективного горизонтального сечения канала обрушения, Sбл - площадь горизонтального сечения блока,
Нкр - глубина кровли
Коэффициент разрыхления зависит от физико-механических свойств пород, размера блоков породы и параметров выработок [14], тре-щиноватости, и др. характеристик массива вмещающего месторождения и требует определения для каждого месторождения.
Для определения Кр было выбрано Соколовское железорудное месторождение, северный фланг которого с 70-х годов XX века разрабатывается подземным способом. За это время на земной поверхности месторождения сформировалась обширная зона воронкообразования, размерами 1,8 км вдоль простирания и 0,7 км вкрест простирания. Всего за время эксплуатации шахты зафиксировано более ста случаев выхода обрушения на поверхность. Общая площадь поверхности, занятой областью обрушения составляет примерно 480 тыс. кв. м. На текущий момент большинство воронок засыпано скальной породой, со стороны висячего бока месторождения
формируется отвал скальных пород (рис. 2). Месторождение имеет следующие инженерно-геологические условия разработки:
Сверху залегает мощная толща рыхлых пород мезокайнозойского возраста в среднем составляющая 115 м. Отложения имеют горизонтальное залегание и обводнены. Ниже развит комплекс палеозойских скальных пород. В верхней части разреза скальные породы выветрены на глубину до 60 м. Вмещающие породы и руды месторождения претерпели сильные изменения в результате тектонической деятельности, что в целом повлияло на их устойчивость, и определяет их прочностные свойства. Вмещающие породы имеют средние значения коэффициента крепости от 5 до 9, а маг-нетитовые руды от 3 до 6,0. Руды и породы месторождения в целом характеризуются как слабоустойчивые и неустойчивые, причем с глубиной отработки запасов их устойчивость в подземных горных выработках возрастает весьма незначительно. Руды, как правило, менее устойчивы, чем вмещающие породы. Руды и породы склонны к самообрушению. Плотность вмещающих скальных пород в среднем составляет 2,6 т/м3 изменяясь от 2,57 до 2,83 т/м3; балансовых руд - 3,4 т/м3 (3,3 - 3,8 т/м3); забалансовых руд - 3,1 т/м3 (3,0 - 3,2 т/м3). Естественная влажность руд - 2,6 %.
Рис. 2. Земная поверхность Соколовского месторождения
Рельеф земной поверхности на месторождении ровный, присутствует небольшой уклон в южном направлении, средняя отметка поверхности земли составляет около 185 м. Основными факторами, влияющими на формирование процесса воронкообразования на поверхности ш. Соколовская являются наличие толщи осадочных пород над палеозойским фундаментом мощностью около 115 м и слабая устойчивость пород, вмещающих месторождение. В целом по месторождению среднеустойчивые породы составляют около 5 %, слабоустойчивые - 60 %, неустойчивые - 35%.
Для определения коэффициента разрыхления из всех зарегистрированных воронок были отобраны первичные воронки, удовлетворяющие следующим условиям:
1. Процесс выхода обрушения на поверхность не пересекал выработанное пространство горизонтов -120 м, -260 м, -330 м.
2. Наличие перекрестной информации о воронке и очистной выемочной единице в маркшейдерской и геотехнической документации.
Результаты
Всего данным условиям удовлетворяет 28 случаев выхода обрушений на поверхность, что составляет около четверти от общего числа выходов обрушений. В качестве исходных данных для расчета Кр использовались размеры и объемы очистных единиц, глубина работ, и размеры воронок на поверхности земли. Полученные значения лежат в пределах Кр от 1.01 до 1.38, среднеквадратичное отклонение составляет 0,08.
Полученные значения коэффициента разрыхления представлены на рис. 3. Общее уравнение регрессии имеет вид: Кр=0,0003-Нкр+1,2156, с коэффициентом детерминации Л*2=0,0741, откуда R составляет 0,27, что в соответствии со шкалой Чеддока характеризуется как весьма слабая связь. Однако результаты демонстрируют, несмотря на разброс значений, наличие взаимосвязи.
Анализ показал, что на месторождениях, покрытых значительной толщей наносов с увеличением глубины горных работ, коэффициент разрыхления уменьшается. Причиной наблюдаемого явления является совокупность факторов, основной из которых - переотложение и заполнение вышележащими осадочными отложениями нижележащего пустого пространства между отдельными кусками породы, образующегося при разрыхлении массива скальных палеозойских пород в процессе обрушения кровли.
Коэффициент разрыхления обрушенного массива Кр зависит от относительной доли осадочных пород в общем объёме массива, затронутого обрушением над очистным пространством. Относительная доля осадочных пород в общем объёме массива, затронутого обрушением, численно равна отношению глубины залегания подошвы осадочных пород к глубине кровли очистной выработки (рис. 4).
Рис. 3. Результаты определения коэффициента разрыхления обрушенных пород на ш. Соколовская
О!
А о
Ф
3"
ю о
пс
о
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
I осад, массив ск. массив
-60 -120 -190 -260 -330 -440
горизонт работ, м
Рис. 4. Соотношение осадочных и скальных пород в массиве над очистным пространством, ш. Соколовская
С увеличением глубины относительный объём осадочных пород будет уменьшаться, а объём пустот в разрыхленном массиве скальных по-
18
род расти. Уменьшение Кр остановится, когда объём разрыхленных осадочных пород станет равным объёму пустот в разрыхленном скальном массиве.
Заключение
Критерием завершения процесса воронкообразования является максимальный объем воронки обрушения, который связан с размерами выработанного пространства и коэффициентом разрыхления обрушающихся пород. Коэффициент разрыхления - величина, зависящая от многих параметров, среди которых физико-механические свойства пород массива, определяющие характер трещиноватости и размер отдельных блоков, на которые он разрушается. Установлено, что для рудных месторождений, залегающих в скальных массивах, покрытых толщей осадочных пород, коэффициент разрыхления изменяется в зависимости от соотношения доли наносов и скальных пород в массиве над выработанным пространством.
Список литературы
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана: утв. министерством металлургии СССР 02.08.1990. Свердловск: Институт горного дела МЧМ СССР, 1990. 64 с.
2. Особенности проведения геодинамического мониторинга на Узельгинском месторождении / А.А. Панжин, А.Д. Сашурин, Е.Ю. Ефремов, Н.А. Панжина, В.И. Ручкин // Проблемы недропользования. 2016. №4 (11). С. 81-89.
3. Gili J. A., Corominas J., Rius J. Using Global Positioning System techniques in landslide monitoring. Engineering Geology 55, (2000), Р. 167— 192.
4. Пустуев А. Л., Коновалова Ю.П., Мартемьянов А.А. Принципы построения геодинамических полигонов при масштабном недропользовании // Горный журнал. 2012. № 1. С. 32-36.
5. Мехтиев Дж.Т., Исмаилов К.Х., Джавадов Н.Г. Исследование динамических характеристик регистрации быстропротекающих процессов оползней с помощью GPS // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. № 4. С. 105-112.
6. Кольцов П.В. Методика безотражательных наблюдений за деформирующимися участками бортов карьеров и отвалов // Записки Горного института. 2012. № 198. С. 65-69.
7. Желтышева О.Д., Ефремов Е.Ю. Современные технологии мониторинга устойчивости бортов карьеров // Маркшейдерия и недропользование. 2014. № 5 (73). С. 63-66.
8. Lindenbergh R., Pfeifer N., Rabbani T., Accuracy analysis of the Leica HDS3000 and feasibility of tunnel deformation monitoring / Workshop Laser scanning 2005. - ISPRS Archives, 2005. Netherlands, P. 24-29 (2005).
9. Caduff R., Schlunegger F., Kos A., Wiesmann A. A review of terrestrial radar interferometry for measuring surface change in the geosciences / Earth surface processes and landforms. №40. 2015. P. 208-228.
10. Hungr O., Corominas J., Eberhardt E. Estimating Landslide motion mechanism, travel distance and velocity / International Conference on Landslide Risk Management, Vancouver, Canada / Publisher: Balkema Place of publication: London, Leiden, Taylor &, Francis Year of publication: 2005. P. 99-128.
11. Исследование геомеханических условий разработки киембаев-ского месторождения открытым способом / Е.Ю. Ефремов А.А. Панжин, Т.Ф. Харисов, О.Д. Харисова // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2018. № 4. С. 35-45.
12. Казикаев Д. М. Геомеханические процессы при совместной и повторной разработке. М.: Недра, 1981. 265 с.
13. Шнайдер М.Ф. Вороненко В.К. Совмещение подземных и открытых разработок рудных месторождений. М.: Недра, 1985. 132 с.
14. Havir J., Bordia S. K. Petrosa V. Simple method of determing of coefficient of loosening of rocks Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 8, 1971. Р. 97103.
Ефремов Евгений Юрьевич, науч. сотр., efremov-eu@mail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук
*Работа выполнена в рамках реализации государственного задания № 007-00293-1800. Тема № 0405-2015-0012
RA TIONALE OF CA VE-IN PROCESS CONSUMMA TION CRITERION
E.Y. Efremov
The criterion for estimating of cave-in process finishing is suggested. It is shown that variation in deformation rate in certain period of time is insufficient criterion to determine the consummation of caved zone formation process. The calculated maximal volume of caved rock crater which related with the void volume by swell factor of the fall is proposed as addi-tonal cave-in process consummation criterion. The results demonstrate that in underground mining swell factor depends on proportion of igneous and sedimentary rock in rock mass above void.
Key words: monitoring of deformation, caving induced surface deformation, swell factor, roof fall.
Efremov Evgenii Yurievich, Researcher, efremov-eu@mail. ru, Russia, Yekaterinburg, Mining Institute of Ural Branch of Russian Academy of Science
Reference
1. Pravila ohrany sooruzhenij i prirodnyh ob#ektov ot vred-nogo vlijanija podzemn-yh razrabotok na mestorozhdenijah rud chernyh metallov Urala i Kazahstana: utv. minister-stvom metallurgii SSSR 02.08.1990. Sverdlovsk: Institut gornogo dela MChM SSSR, 1990. 64 s.
2. Osobennosti provedenija geodinamicheskogo monitoringa na Uzel'ginskom mes-torozhdenii / A.A. Panzhin, A.D. Sashurin, E.Ju. Ef-remov, N.A. Panzhina, V.I. Ruchkin // Problemy nedropol'zovanija. 2016. №4 (11). S. 81-89.
3. Gili J. A., Corominas J., Rius J. Using Global Positioning System techniques in landslide monitoring. Engineering Geology 55, (2000), R. 167-192.
4. Pustuev A. L., Konovalova Ju.P., Martem'janov A.A. Princi-py postroenija geo-dinamicheskih poligonov pri masshtabnom nedro-pol'zovanii // Gornyj zhurnal. 2012. № 1. S. 32-36.
5. Mehtiev Dzh.T., Ismailov K.H., Dzhavadov N.G. Issledovanie dinamicheskih harakteristik registracii bystroprotekajushhih proces-sov opolznej s pomoshh'ju GPS // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. № 4. S. 105-112.
6. Kol'cov P.V. Metodika bezotrazhatel'nyh nabljudenij za de-formirujushhimisja uchastkami bortov kar'erov i otvalov // Zapiski Gornogo instituta. 2012. № 198. S. 65-69.
7. Zheltysheva O.D., Efremov E.Ju. Sovremennye tehnologii mo-nitoringa ustojchivosti bortov kar'erov // Markshejderija i nedro-pol'zovanie. 2014. № 5 (73). S. 63-66.
8. Lindenbergh R., Pfeifer N., Rabbani T., Accuracy analysis of the Leica HDS3000 and feasibility of tunnel deformation monitoring / Work-shop Laser scanning 2005. - ISPRS Archives, 2005. Netherlands, P. 24-29 (2005).
9. Caduff R., Schlunegger F., Kos A., Wiesmann A. A review of ter-restrial radar in-terferometry for measuring surface change in the geosciences / Earth surface processes and landforms. №40. 2015. P. 208-228.
10. Hungr O., Corominas J., Eberhardt E. Estimating Landslide mo-tion mechanism, travel distance and velocity / International Conference on Landslide Risk Management, Vancouver, Canada / Publisher: Balkema Place of publication: London, Leiden, Taylor &, Francis Year of publication: 2005. P. 99-128.
11. Issledovanie geomehanicheskih uslovij razrabotki kiemba-evskogo mestorozh-denija otkrytym sposobom / E.Ju. Efremov A.A. Pan-zhin, T.F. Harisov, O.D. Harisova // Izvestija vysshih uchebnyh zavede-nij. Gornyj zhurnal. 2018. № 4. S. 35-45.
12. Kazikaev D. M. Geomehanicheskie processy pri sovmestnoj i povtornoj raz-rabotke. M.: Nedra, 1981. 265 s.
13. Shnajder M.F. Voronenko V.K. Sovmeshhenie podzemnyh i ot-krytyh razrabotok rudnyh mestorozhdenij. M.: Nedra, 1985. 132 s.
14. Havir J., Bordia S. K. Petrosa V. Simple method of determing of coefficient of loosening of rocks Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 8, 1971. R. 97-103.
