CC BY
32
УДК 622.831
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ СЮКЕЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГИПСА
1 л 4
© А.А. Давиденко1, Л.И. Сосновский2, А.Н. Авдеев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследований напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки сближенных пластов Сюкеевского месторождения гипса. Предложены размеры пролетов камер, междукамерных и межпластового целиков с учетом их взаимного влияния на устойчивость эксплуатационного блока. Ил. 4. Табл. 4. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: месторождение гипса; отработка сближенных пластов; камерно -столбовая система разработки; моделирование напряженно-деформированного состояния; параметры геотехнологий.
SUBSTANTIATION OF GEOTECHNOLOGICAL PARAMETERS WHEN MINING SUPERIMPOSED SEAMS AT SYUKEEVSKOE GYPSUM DEPOSIT A.A. Davidenko, L.I. Sosnovskiy, A.N. Avdeev
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article provides the results of studying the stress-strain state of constructive elements of the room-and-pillar mining system of the superimposed seams of Syukeevskoe gypsum deposit. It proposes the dimensions of chamber spans, rooms and pillars taking into account their mutual influence on producing block stability. 4 figures. 4 tables. 2 sources.
Key words: gypsum deposit; mining of superimposed seams; room-and-pillar method; stress-strain state modeling; parameters of geotechnologies.
Сюкеевское месторождение состоит из двух пластов гипса. Верхний пласт гипса перекрывается плотными глинами с подчиненными прослоями известняка, доломита, песчаника, мергеля и гипса. Суммарная мощность этих отложений изменяется в диапазоне от 20 до 120 м, увеличиваясь в северном и северозападном направлениях. Верхний пласт почти весь находится выше уровня воды в р. Волга. Нижний пласт гипса на всей площади месторождения отделяется от верхнего пласта гипса слоем доломитов мощностью 7-11 м. Доломиты, слагающие кровлю нижнего пласта, в основном массивные, плотные, крепкие, участками трещиноватые, содержат линзы и гнезда гипса. Межпластовые доломиты при водонасыщении, за исключением отдельных участков, не разрушаются.
Гипсовый камень верхнего и нижнего пластов обладает близкими физико-механическими свойствами. Горные породы месторождения в целом не нарушены крупными тектоническими разломами, но для них характерна трещиноватость. Возможно развитие карсто-образования, особенно при отработке нижнего пласта.
Выемка запасов производится камерно-столбовой
системой. Проект на отработку верхней пачки гипса Сюкеевского гипсового рудника был разработан ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов» (ОАО «Ирги-редмет») в 2011-2012 гг.
Определение параметров устойчивых междукамерных целиков и кровли камер проводилось по методикам Л.Д. Шевякова. Размеры допустимых обнажений кровли камер определялись без учета параметров целиков. Не учитывалось взаимное влияние напряженного состояния камер и целиков на их устойчивость.
При проведении выработок вскрытия на Сюкеев-ском месторождении были отмечены вывалы в кровле наклонных съездов шириной 5,5-6 м, поэтому для более надежного обоснования проектных решений совместными усилиями сотрудников ОАО «Иргиред-мет» и Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) в 2011 г. были проведены комплексные исследования физико-механических свойств, геомеханического состояния и устойчивости гипса и горных пород месторождения [1].
1Давиденко Алексей Александрович, аспирант, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu Davidenko Aleksei, Postgraduate, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu
2Сосновский Леонид Иннокентьевич, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu
Sosnovskiy Leonid, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mineral Deposit Development, tel.: (3952) 405216, e-mail: 1.gor@istu.edu
3Авдеев Аркадий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: 1.gor@istu.edu
Avdeev Arkadiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail 1 .gor@istu.edu
В настоящее время верхний пласт дорабатывается, поэтому возникла необходимость в проведении дополнительных научных и проектных работ с целью выемки второго нижнего пласта полезного ископаемого. Потребовалось уточнить параметры камерно-столбовой системы разработки для условий отработки двух сближенных пластов гипса. Авторы провели исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки сближенных пластов на данном месторождении [1; 2].
В процессе исследований сделан анализ геологического строения месторождения, уточнены физико-механические свойства основных разновидностей горных пород, изучено напряженно-деформированное состояние целиков и обнажений кровли камер. Обоснованы размеры устойчивых целиков и пролетов камер с учетом их взаимного влияния.
Размеры устойчивых обнажений кровли пластов, междукамерных и межпластового целиков определялись в процессе математического моделирования НДС конструктивных элементов систем разработки методом конечных элементов с использованием программного комплекса FEM, разработанного профессо-
ром О.В. Зотеевым (Институт горного дела Уральского отделения РАН).
В качестве исходных данных для моделирования рассчитаны первоначальные напряжения массива горных пород, которые, учитывая осадочный генезис месторождения, принимались по гипотезе гравитационных напряжений А.Н. Динника (табл. 1).
На основании лабораторных исследований определены физико-механические свойства вмещающих пород и полезного ископаемого (табл. 2).
Установлены геометрические параметры камер и целиков (табл. 3, 4). Схемы их расположения представлены на рис. 1, 2. Следует отметить, что принятое для моделирования количество отрабатываемых камер, равное шести, выбрано из следующих соображений. Как показали результаты более ранних исследований, при выемке пяти-шести камер формируется плоское напряженное состояние в конструктивных элементах систем разработки [1]. Поэтому дальнейшее увеличение очистного пространства существенно не изменит напряженного состояния подрабатываемого массива, и оценку устойчивости кровли и междукамерных целиков можно производить по данным моделирования этих условий.
Таблица 1
Значения первоначальных напряжений горного массива
Глубина разработки от поверхности, м Напряжение, МПа
вертикальное, ав горизонтальное, а3
20 -0,4 -0,16
60 -1,2 -0,51
120 -2,5 -1,07
Есте- Характеристики в сухом состоянии Характеристики в водонасыщенном состоянии Упругие характеристики
Порода ственная плотность, р, г/см3 Предел прочности, МПа Сцепление, т, МПа Угол Коэф. крепости по М.М. Протодь- Предел прочности, МПа Модуль Коэф. Пуассона, р
при сжатии при растяжении, арас внутр. трения, град., ф при сжатии, при растяжении, арас упругости, ГПа
асж яконову асж
Гипс 2,32 16,47 1,78 3 36 2 11,07 1,58 30 0,37
Доломит 2,23 37,05 4,52 10 35 4 35,26 4,19 9 0,30
Глина 2,07 6,24 0,90 1,78 28 1 Разрушается при водонасыщении - -
Таблица 3
Геометрические параметры геомеханических моделей для условий отработки _верхнего пласта гипса_
Геометрические параметры моделей Значение
Количество отрабатываемых камер 6
Высота камер, м 5,5
Высота оставляемого слоя гипса в кровле очистных камер, м 1
Глубина разработки (положение дневной поверхности относительно вынимаемого пласта), м 20; 60; 120
Ширина камеры, м 6; 8; 12
Ширина междукамерного целика, м 6; 8; 12
Таблица 2
Физико-механические свойства горных пород, слагающих гипсовое месторождение
Таблица 4
Геометрические параметры геомеханических моделей для условий _совместной отработки сближенных пластов гипса_
Параметры моделирования Значение
Количество отрабатываемых камер 6
Высота камер, м 6
Количество этажей 2
Высота межпластового целика, м 6; 12; 18
Глубина разработки, м 120
Ширина камеры, м 6
Ширина междукамерного целика, м 6
Относительное расположение междукамерных целиков на сближенных пластах соосное, шахматное
Рис. 1. Схемы расположения камер и целиков моделей при моделировании НДС отработки верхнего пласта гипса
а)
б)
Рис. 2. Схемы расположения камер и целиков моделей при моделировании НДС отработки нижнего пласта гипса при соосном (а) и шахматном (б) расположении междукамерных целиков
на сближенных пластах.
Анализируемые участки камер и целиков: 1, 2 - кровля камер верхнего этажа; 3, 4 - стенки крайних камер; 5-8 - междукамерные целики; 9,10 - межпластовые целик возле крайней камеры; 11,12 - межпластовые целики
возле средней камеры
На основании принятых исходных данных были разработаны и рассчитаны геомеханические модели. В результате были определены главные напряжения о1 и о3, а также полные напряжения о= а1+ а3 в кровле очистных камер, в междукамерных и межпластовых целиках [1; 2].
Эти напряжения сравнивались с допустимыми, которые определялись из выражений [1; 2]:
- для потолочины (кровли) камер и межпластовых целиков:
об —об
а
доп
а0 ■ К
сж_с
К
а
а
р __р
доп
■ К
К
(1)
- для междукамерного целика:
а06 ■ К ■ К
а
доп
К
где асЖп и ардоп - пределы прочности на сжатие и растяжение горных пород в массиве, МПа; арж и арб -
пределы прочности на сжатие и растяжение горных пород в образце, МПа; Кс - коэффициент структурного ослабления; Кз - коэффициент запаса прочности; Кф - коэффициент, учитывающий форму целика (коэффициент Церна).
При коэффициенте структурного ослабления 0,57, коэффициенте запаса прочности 1,5 и пределе проч-
ности гипса на сжатие в образце -16,47 МПа и на растяжение 1,78 МПа допустимые напряжения на сжатие в потолочине камер и межпластовых целиках составят -6,5 МПа, на растяжение - 0,7 МПа. Допустимые напряжения в междукамерных целиках зависят от их ширины и для моделируемых размеров 6-12 м составляют 6,5-9,2 МПа (рис. 3).
Анализ результатов моделирования отработки верхнего пласта позволяет отметить следующее. В кровле камеры действуют растягивающие напряжения, на стенках камер - сжимающие. Напряжения увеличиваются в зависимости от пролета камеры и глубины разработки (см. рис. 3).
Устойчивость подрабатываемого массива зависит от напряжений как кровли камер, так и междукамерных целиков. Поэтому параметры устойчивых пролетов камер и междукамерных целиков взаимосвязаны. На глубинах 20-60 м при пролете камер 12 м для обеспечения устойчивости достаточно оставлять междукамерные целики 6 м. На глубинах 60-120 м выемка камер шириной 12 м не обеспечивает устойчивость, так как в кровле камер возникают напряжения выше допустимых значений. При пролете камер 8 м устойчивые междукамерные целики в зависимости от глубины разработки составят 3-6 м. При пролете камер 6 м расчетная ширина междукамерных целиков составляет 3-5 м.
а)
б)
Рис. 3. Графики полных напряжений в кровле камеры (а) и в междукамерном целике (б) при различной ширине междукамерного целика и пролете камеры 6 м на глубинах:
1 - 20 м; 2 - 60 м; 3 - 120 м
При соосном расположении междукамерных целиков в сближенных пластах напряжения в кровле камер верхнего пласта и междупластовом целике сжимающие и по значению не превышают -1 МПа. Напряжения в стенках камер и междукамерных целиках несколько больше и достигают значения -5 МПа.
При шахматном расположении междукамерных целиков напряжения в стенках камер и междукамерных целиках также сжимающие и не превышают -5 МПа. Напряжения в кровле верхних камер составляют -0,5 МПа. Напряжения в междупластовом целике в области крайних камер невелики - от -0,5 до -1,8 МПа. Напряжения в междупластовом целике имеют растягивающий характер и составляют 0,1-1,7 МПа.
Междукамерные целики и стенки камер находятся в устойчивом состоянии, напряжения в них в основном сжимающие и ниже допустимых.
Учитывая выявленные закономерности напряженного состояния подрабатываемого массива для обеспечения устойчивости камер и целиков, предложено камеры проходить шириной 6 м при ширине междукамерных целиков 6 м и предохранительным целиком в кровле камер высотой 1 м.
Результаты моделирования отработки нижнего сближенного пласта гипса представлены на рис. 4.
Как видно из представленных графиков (см. рис. 4), при соосном расположении междукамерных цели-
ков массив более устойчив, чем при их шахматном расположении. При шахматном расположении междукамерных целиков напряжения в междупластовом целике растягивающие, выше допустимых и равны 0,7 МПа. При соосном расположении междукамерных целиков напряжения в междупластовом целике сжимающие и ниже допустимых. Фактический целик между пластами при соосном расположении междукамерных целиков устойчив.
На основании выше изложенного можно заключить, что специальных мероприятий по безопасному ведению горных работ при отработке второго пласта гипса на Сюкеевском месторождении не требуется. Для практического применения на руднике рекомендуется соостная схема расположения междукамерных целиков. После выемки основных запасов обоих пластов и проведения соответствующих исследований представляется возможным произвести частичную выемку запасов междукамерных целиков в отступающем порядке.
В целях обеспечения безопасности ведения горных работ маркшейдерской службе рудника рекомендуется проводить визуальные и инструментальные наблюдения за устойчивостью кровли камер и целиков. В случаях выявления тектонически нарушенных участков кровли камер и выпадения отдельных заколов необходимо предусматривать крепление этого
б)
Рис. 4. Полные напряжения в опасных участках очистных камер и целиков в зависимости от ширины межпластового целика при соосном (а) и шахматном (б) расположении междукамерных целиков в сближенных пластах гипса: 1 - в кровле камер верхнего пласта; 2 - в стенке крайних камер; 3 - в междукамерных целиках; 4 - в межпластовом целике, расположенном в области крайних камер; 5 - в межпластовом целике, расположенном в области средних камер; 6 - линия допустимых напряжений
участка штанговой крепью с применением синтетических сеток.
Основные рекомендации исследований по параметрам устойчивых целиков и кровли камер приняты
ОАО «Иргиредмет» для уточнения проекта на разработку Сюкеевского месторождения гипса.
Статья поступила 21.10.2014 г.
Библиографический список
1. Сосновский Л.И., Авдеев А.Н. Обоснование параметров устойчивых обнажений кровли и междукамерных целиков при разработке Сюкеевского месторождения гипса // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11 (70). С. 75-80.
2. Сосновская Е.Л., Нгуен Зуи Лонг. Обоснование парамет-
ров междупластового целика при разработке Сюкеевского месторождения гипса // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. Вып. 13. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. С. 71-79.
УДК 550.348
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЕ ИРКУТСКОЙ ГЭС С ЦЕЛЬЮ ИЗУЧЕНИЯ ЕЕ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
© А.Ю. Ескин1, В.И. Джурик2, С.П. Серебренников3, Е.В. Брыжак4
Институт земной коры СО РАН,
664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
Рассматриваются вопросы по изучению грунтовых плотин Иркутской ГЭС с помощью комплекса геофизических методов. Наблюдения проводились в течение 11 лет (с 2002 по 2013 г.). Анализировались скорости сейсмических волн (как продольные, так и поперечные), удельное электрическое сопротивление и естественный потенциал в их теле. По результатам исследований выделены ослабленные зоны грунтовых плотин, которым при дальнейших работах начали уделять большее внимание. В целом состояние грунтовых плотин Иркутской ГЭС можно охарактеризовать как стабильное. Ил. 6. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: Иркутская ГЭС; грунтовая плотина; скорости сейсмических волн; удельное электрическое сопротивление; естественное электрическое поле; фильтрационная устойчивость.
GEOPHYSICAL RESEARCHES ON THE IRKUTSK HYDROELECTRIC POWER STATION EARTH FILL DAM
TO STUDY ITS FILTRATION STABILITY
A.Yu. Eskin, V.I. Dzhurik, S.P. Serebrennikov, E.V. Bryzhak
Institute of the Earth's Crust SB RAS, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The article deals with the questions of studying soil dams of the Irkutsk hydroelectric power station by means of the complex of geophysical methods. Observations have been carried out during the period of 11 years (from 2002 to 2013). Analysis was given to the velocities of seismic waves (both dilatational, and transversal), specific electric resistance and natural potential in their body. Research results allowed to identify the weakened zones of soil dams that were considered in further work. As a whole, the condition of soil dams of the Irkutsk hydroelectric power station is characterized as stable.
6 figures. 10 sources.
Key words: Irkutsk hydroelectric power station; soil dam; seismic wave velocities; specific electric resistance; natural electric field; filtration stability.
1 Ескин Александр Юрьевич, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории инженерной сейсмологии и сейсмогеологии, e-mail: eskin@crust.irk.ru
Eskin Alexander, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Researcher of the Laboratory of Engineering Seismology and Seismic Geology, e-mail: eskin@crust.irk.ru
2Джурик Василий Ионович, доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией инженерной сейсмологии и сейсмогеологии, e-mail: dzhurik@crust.irk.ru
Dzhurik Vasily, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Head of the Laboratory of Engineering Seismology and Seismic Geology, e-mail: dzhurik@crust.irk.ru
3Серебренников Сергей Петрович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории инженерной сейсмологии и сейсмогеологии, e-mail: serebr@crust.irk.ru
Serebrennikov Sergey, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Engineering Seismology and Seismic Geology, e-mail: serebr@crust.irk.ru
4Брыжак Евгений Вадимович, аспирант, e-mail: bryzhak@crust.irk.ru Bryzhak Evgeny, Postgraduate, e-mail: bryzhak@crust.irk.ru
