CC BY
34
- © В.А. Еременко, М.В. Рыльникова,
Е.Н. Есина, В.Н. Лушников, 2014
УДК 622.831; 622.2; 622.235
В.А. Еременко, М.В. Рыльникова, Е.Н. Есина, В.Н. Лушников
ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ОЦЕНКИ ЗОН РАСПРОСТРАНЕНИЯ
И ВЕЛИЧИНЫ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*
Для оценки напряженного и деформированного состояния массива горных пород, выявления местоположения зон концентрации напряжений и характера их распространения разработан гипсово-скважинный наблюдательный способ контроля структурно нарушенного массива горных пород и идентификации опасных участков, склонных к горным ударам, который позволяет установить механизмы разрушения массива в районе горных выработок и очистного пространства, классифицировать качество породных массивов и определять их основные параметры - индексы RQD, J, J, J, J , SRF.
^ 7 n r a w7
Ключевые слова: способ, напряженное и деформированное состояние, напряжение, концентрация, опорное давление, зоны повреждения пород ЗПП, выработка, очистное пространство.
При разработке рудных месторождений в Российской Федерации и за рубежом, которую осуществляют горнодобывающие компании в структурно нарушенных и удароопас-ных участках горных пород, постоянно растут затраты на управление состоянием массива в зоне ведения горных работ [1]. Вызвана данная тенденция ухудшением горно-геологическими и геомеханическими условиями разработки месторождений на больших глубинах [2].
Следует отметить, что количество рудных месторождений со сложным структурным строением массива, а также склонных к динамическим формам проявления горного давления в Российской Федерации более 80% от общего числа месторождений, осваиваемых подземным способом. Такие же проблемы существуют и на
зарубежных горнодобывающих предприятиях ведущих отработку полезных ископаемых на больших глубинах, например, в Австралии, Канаде, ЮАР, Швеции и др.
Проведение аналитических исследований с использованием численного моделирования позволило определить местоположение зон распространения и величины концентрации напряжений, а также коэффициент бокового давления для условий подземной разработки удароопасных рудных месторождений. При моделировании массив горных пород представлялся упругим изотропным материалом с механическими свойствами руд и пород Таштагольского месторождения [3]. При этом изменялись параметры природного поля напряжений, когда вертикальная составляющая соответствовала силе тяжести
* Работа выполнена в рамках государственного контракта Российского научного фонда - грант № 14-17-00255.
налегающих пород, а горизонтальные компоненты тензора равнялись между собой и определялись боковым распором гравитационных сил, а также дополнительным действием горизонтальных тектонических сил [3].
Установлено, что чем больше горизонтальная составляющая тензора напряжений в нетронутом массиве, тем на большем расстоянии от забоя горизонтальной выработки размером, например, 4x3,5x16 м (ширина - высота - длина) коэффициент концентрации К, приближается к значению в нетронутом массиве (рис. 1). При X = 0,5 на расстоянии 2,5 м напряжения стх достигают значений в нетронутом массиве, при X = 3 расстояние увеличивается почти на два размера ширины выработки.
Вертикальная составляющая тензора напряжений численно равная опорному давлению наибольшее значение имеет при минимальном коэффициенте бокового отпора X = 0,5; вертикальные здесь напряжения, действующие в нетронутом массиве, увеличиваются в 2,5 раза; опорное давление формируется на минимальном расстоянии от торцевой поверхности забоя выработки на расстоянии не более 0,25 м. С увеличением бокового давления в нетронутом массиве максимальные значения коэффициента концентрации вертикальной составляющей тензора напряжений уменьшаются, а расстояние до фор-
Рис. 1. Расстояние от забоя горизонтальной выработки до зоны концентрации горизонтальных напряжений К при X = 0,5; 1; 2; 3 и 5
Рис. 2. Расстояние от забоя горизонтальной выработки до зоны концентрации вертикальных напряжений К при X = 0,5; 1; 2; 3 и 5
Рис. 3. Расстояние от забоя вертикальной выработки до зоны концентрации вертикальных напряжений К при X = 5; 3; 2; 1 и 0,5
мируемой зоны опорного давления от краевой поверхности выработки увеличивается (рис. 2).
При проходке вертикальной выработки такого же размера, что и горизонтальная, установлено, чем больше горизонтальная составляющая тензора напряжений в нетронутом массиве,
к.
Рис. 4. Расстояние от забоя вертикальной ки до зоны концентрации горизонтальных ний Кх при X = 5; 3; 2; 1 и 0,5
тем на меньшем расстоянии от забоя выработки формируется зона концентрации вертикальных напряжений (рис. 3). Коэффициент концентрации вертикальных напряжений К (опорного давления), например, для X = 5 равен 2,5, т.е. в два раза меньше, чем коэффициент бокового давления. С увеличение бокового давления в нетронутом массиве максимальные значения коэффициента концентрации горизонтальных составляющей тензора напряжений увеличиваются, а расстояние до формируемой зоны концентрации горизонтальных напряжений от краевой поверхности выработки уменьшается (рис. 4).
Сравнение значений вертикальных и горизонтальных напряжений позволило установить, что при проходке горизонтальной выработки в массиве вблизи ее торца формируется зона концентраций вертикальных напряжений, максимальные значения которых уменьшаются с ростом горизонтальной составляющей тензора напряжений исходного массива. При проходке вертикальной выработки в районе днища формируется зона концентрации максимальных горизонтальных напряжений, при этом горизонтальные напряжения превышают вертикальные более, чем в пять раз при X = 5.
Значения напряжений, местоположение зон их концентрации и харак-
тер распространения, подтверждаются полученными результатами проведенных экспериментальных исследований в натурных условиях на рудниках Западной Сибири, Хакасии, Бурятии, Северного Казахстана и Западной Австралии " с применением различных
выработ- методов контроля напря-напряже- женного и деформированного состояния массива горных пород.
Контроль за региональным изменением напряженного и деформированного состояния массива горных пород осуществляется микросейсмическим, электрометрическим и деформационным (глубинные и контурные репера) методами. В качестве вспомогательных используются методы: микросейсмо-акустический, геодинамического районирования месторождений, влияния тектонических нарушений с учетом фактора времени, интенсивности дискования керна. Последний метод -преимущественно применяется на стадии ведения геологоразведочных работ. Локальный прогноз по определению зон концентраций напряжений производится геомеханическими (керновое бурение, глубинные и контурные репера) и геофизическими (электрометрический, ИЭМИ) методами или визуальными наблюдениями за разрушением приконтурного массива выработок.
Установление закономерностей напряженного и деформированного состояния массива горных пород в части выявления «энергетических центров» при использовании различных классов систем разработки и изменении их параметров - одна из задач, которую необходимо решить в рамках выполнения проекта РНФ (Российский научный фонд, грант № 14-17-00255). Для решения поставленной задачи
применялись методы численного моделирования, а также способы, которые позволяют оперативно выявлять зоны концентрации напряжений в натурных условиях.
В современной мировой практике оценка состояния массива горных пород осуществляется схожими методами: в России - определение категории устойчивости выработок; за рубежом -метод Бартона Ю индекс) (Норвегия), метод НМН (Канада, Австралия), система МНМН (ЮАР) и др. Применяемые методики основаны на расчетах категории устойчивости массива горных пород с использованием данных, полученных с помощью натурных измерений и в лабораторных условиях. Данные методики характеризуют: качественно пород (индекс RQD); количество систем трещин (индекс шероховатость стенок трещин (индекс J); состояние трещиноватости (индекс Ja); наличие и интенсивность водоприто-ков (индекс Jш), напряженное состояние горного массива (индекс БЯР) [4, 5]. Устанавливаются три основных фактора, определяющих устойчивость выработок и подземных конструкций: RQD/Jn - степень нарушенности массива (блочность); Jr /7а - трение вдоль трещин и Jш /SRF - сопротивляемость массива действующим напряжениям.
Для оценки напряженного и деформированного состояния массива горных пород, выявления местоположения зон концентрации напряжений и характера их распределения в горном массиве разработан гипсово-скважинный наблюдательный способ контроля состояния структурно нарушенного массива горных пород и идентификации опасных участков, склонных к горным ударам, который позволяет прогнозировать места развития наибольших деформаций и установить механизмы разрушения массива в районе горных выработок и очистного пространства [6].
Рис. 5. Гипсово-скважинная наблюдательная станция контроля структурно нарушенного массива торных пород и идентификации опасных участков, склонных к горным ударам: 1 - гипсовый слой; 2 - съемные маячки; 3 - наблюдательные скважины
Сущность способа заключается в следующем. При подземной разработке структурно нарушенных и уда-роопасных массивов горных пород выбирают горную выработку для наблюдений и оборудуют гипсово-сква-жинную станцию (рис. 5). По контуру сечения выработки с помощью специального приспособления наносят гипсовый слой шириной 20-50 см, толщина слоя 0,5-2 см и более, который зависит от неровности контура выработки. Слой наносится на бока выработки, кровлю и почву. В гипсовом слое закрепляют съемные маячки по определенной сетке. Одновременно с нанесением гипсового слоя на расстоянии 1-2 м от него бурятся наблюдательные скважины по контуру сечения выработки в радиальных направлениях на глубину, необходимую для определения зоны влияния выработки на напряженное и деформированное состояние горного массива.
Для определения при следующих замерах конвергенции выработки первоначально измеряют размеры
а)
Рис. 6. Картируемые скважины, пробуренные в структурно нарушенном (а, б) и удароопасном (в) массиве горных пород
сечения гипсового слоя относительно установленных съемных маячков. Дополнительно по разработанной мето-
б)
дике определяется местоположение геостационарной (инвариантной) точки, относительно которой происходят смещения контура выработки.
По отбуренным наблюдательным скважинам производится картирование массива с помощью специального разработанного оборудования*, позволяющего натурно отображать скважины в пространстве (рис. 6). При условии бурения керновых скважин производится картирование кернов, строятся кернограммы (рис. 7).
Гипсовый слой при малейших деформациях начинает разрушаться, ввиду низкой механической прочности [7]. После деформирования вы-
Рис. 7. Выход керна с наблюдаемыми зонами повреждения пород (ЗПП)
* Специальное оборудование, позволяющее натурно отображать скважину в пространстве, картировать трещины и измерять их, исследовать экспресс методом прочность массива по скважине в настоящее время разрабатывается и патентуется.
Рис. 8. Схема расположения наблюдательной станции в горной выработке, а1
главные максимальные нормальные напряжения
работки и, как следствие, перераспределения напряжений в массиве, производятся повторные измерения (рис. 8, а). По характеру деформиро-
вания выработки и разрушения гипсового слоя определяется направление действия главных максимальных нормальных напряжений ст1 в массиве
Рис. 9. Пример механизма структурных нарушений и деформирования выработки:
1 - смещение взрывных скважин по трещинам, образованным под действием напряжений;
2 - сдвиг по расслоению сдерживающий раскалывание; 3 - сдвижение висячего бока по расслоению; 4 - поднятие почвы вследствие трещинообразования или вспучивания пород под выработкой; 5 - образование трещин под действием повышенных напряжений в породах кровли; 6 - анкера зажаты в породе или срезаны при сдвиге; 7 - сдвижение пород лежачего бока по расслоению; ст1 - главные максимальные нормальные напряжения
горных пород на данном участке. Также исследуется изменение состояния наблюдательных скважин. Устанавливаются зоны повреждения пород (ЗПП) и сдвиговый характер массива (рис. 9) [8].
После определения направлений действия главных нормальных напряжений наблюдательные скважины бурятся только перпендикулярно векторам главных напряжений.
Для более детального изучения механизма деформирования массива горных пород вокруг выработки бурится несколько рядов скважин (рис. 8, б). Устанавливаются зоны повреждения пород (ЗПП), механизмы разрушения и размеры структурных блоков, сдвигающихся в радиальном, продольном и поперечном направлениях относительно исследуемой выработки.
Определение зон повреждения пород (ЗПП) дает возможность установить местоположение зон концен-
трации напряжений и характер их распределения в горном массиве, разработать оптимальные технологические параметры, например, анкерного крепления и их несущую способность [9], параметры камерных систем разработки. Также спрогнозировать зоны развития наибольших деформаций массива как участки для размещения датчиков преобразования энергии горного давления, образуемой в ходе реализации геотехнологических процессов. Результаты измерений, полученные с помощью разработанного способа, позволяют классифицировать качество породных массивов и определять их основные параметры -индексы RQD, J, J, J, J , SRF. Результаты картирования используются для калибровки численных моделей, которые в дальнейшем применяются для прогнозирования зон разрушения пород вокруг проектируемых выработок и очистных пространств [10].
1. Горные науки: освоение и сохранение недр Земли / Под ред. К.Н. Трубецкого. -М.: изд-во Академии горных наук, 1997. -478 с.
2. Бронников Д.М., Замесов Н.Ф., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах. - М.: Недра, 1982. - 292 с.
3. Еременко В.А., Гахова Л.Н., Пушников В.Н., Есина Е.Н., Семенякин Е.Н. Формирование зон концентрации высоких напряжений при разработке месторождений с гравитационно-тектоническим исходным напряженным состоянием массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 9. -С. 5-16.
4. Barton N. Application of Q-System and Index Tests to Estimate Shear Strength and Deformability of Rock Masses. Workshop on Norwegian Method of Tunneling. - New Delhi, 1993. - pp. 66-84.
5. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шо-рии, склонных к горным ударам. - Новокузнецк: ВостНИГРИ, ВНИМИ, 1991. - 90 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Гилсово-скважинный наблюдательный способ оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород. Заявка на получение патента на изобретение № 2014122078 от 15.02.2014.
7. Одноралов В.Н. Скульптура и скульптурные материалы. - М.: Изобразительное искусство, 1982. - 224 с.
8. Beck D.A., Sandy M.P. Mine sequencing for high recovery in Western Australian mines. AusIMM Bulletin No.3, May/June. - 2003. -pp. 38-46.
9. Еременко В.А., Лушников В.Н., Сэнди М.П., Милкин Д.А., Мильшин Е.А. Выбор и обоснование технологии проведения и способов крепления горных выработок в неустойчивых горных породах на глубоких горизонтах Холбинского рудника // Горный журнал. - 2013. - № 7. - С. 59-66.
10. Лушников В.Н., Сэнди М.П., Еременко В.А., Коваленко А.А., Иванов И.А. Методика определения зоны распространения повреждения породного массива вокруг горных выработок и камер с помощью численного моделирования // Горный журнал. -2013. - № 12. - С. 11-16. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Еременко Виталий Андреевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: eremenko@ngs.ru,
Рыльникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор,
заведующая отделом, e-mail: rylnikova@mail.ru,
Есина Екатерина Николаевна - кандидат технических наук,
старший научный сотрудник, e-mail: esina555@list.ru,
ИПКОН РАН;
Лушников Вадим Николаевич - ведущий горный инженер,
компания «Australian Mining Consultants Pty Ltd», e-mail: vlouchnikov@amcconsultants.com.
UDC 622.831; 622.2; 622.235
VALIDATION OF ESTIMATION PROCEDURE FOR AREAS AND VALUES OF STRESS CONCENTRATION IN MINES
Eremenko V.A., Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: eremenko@ngs.ru, Rylnikova M.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department, e-mail: rylnikova@mail.ru, Esina E.N., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: esina555@list.ru, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences; Louchnikov V.N., Leading Mining Engineer of Company «Australian Mining Consultants Pty Ltd», e-mail: vlouchnikov@amcconsultants.com.
Developed for estimation of stresses and strains, location of zones of stress concentration and definition of their distribution patterns in rocks, the gypsum-borehole observation method of inspection of rocks with structural damages and identification of rockburst-hazardous areas enables definition of rock failure mechanisms in the vicinity of mine roadways and stoping zones, description of rock mass quality and calculation of basic rock mass parameters - indexes RQD, Jn, J,, Ja, J SRF.
Key words: method, stress-strain state, abutment pressure, damage zone, underground opening, stoping zone.
REFERENCES
1. Gornye nauki: osvoenie i sokhranenie nedr Zemli. Pod red. K.N. Trubetskogo (Mining sciences: Development and preservation of mineral wealth. Trubetskoy K.N. (Ed.)), Moscow, izd-vo Akademii gornykh nauk, 1997, 478 p.
2. Bronnikov D.M., Zamesov N.F., Bogdanov G.I. Razrabotka rud na bolshikh glubinakh (Deep-level ore mining), Moscow, Nedra, 1982, 292 p.
3. Eremenko V.A., Gakhova L.N., Lushnikov V.N., Esina E.N., Semenyakin E.N. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2013, no 9, pp. 5-16.
4. Barton N. Application of Q-System and Index Tests to Estimate Shear Strength and Deformability of Rock Masses. Workshop on Norwegian Method of Tunneling. New Delhi, 1993. pp. 66-84.
5. Ukazaniya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na mestorozhdeniyakh Gornoi Shorii, sklonnykh k gornym udaram (Guidance on safe mining of rockburst-hazardous deposits in Gornaya Shoria), Novokuznetsk, VostNIGRI, VNIMI, 1991, 90 p.
6. Gipsovo-skvazhinnyi nablyudatel'nyi sposob otsenki strukturno narushennykh i udaroopasnykh mas-sivov gornykh porod. Zayavka na poluchenie patenta na izobretenie N° 2014122078 ot 15.02.2014. (rGypsum-borehole observational technique of faulted rockburst-hazardous rock mass assessment. Utility patent application no 2014122078 from 15.02.2014).
7. Odnoralov V.N. Skul'ptura i skul'pturnye materialy (Sculpture and sculptural materials), Moscow, Izobrazitel'noe iskusstvo, 1982, 224 p.
8. Beck D.A., Sandy M.P. Mine sequencing for high recovery in Western Australian mines. AusIMM Bulletin No.3, May/June. 2003, pp. 38-46.
9. Eremenko V.A., Lushnikov V.N., Sendi M.P., Milkin D.A., Mil'shin E.A. Gornyi zhurnal, 2013, no 7, pp. 59-66.
10. Lushnikov V.N., Sendi M.P., Eremenko V.A., Kovalenko A.A., Ivanov I.A. Gornyi zhurnal, 2013, no 12, pp. 11-16.
