CC BY
16
© A.A. Козырев, И.Э. Семенова, A.B. Земцовский, 2013
УДК 622.831
А.А. Козырев, И.Э. Семенова, A.B. Земцовский
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ЦЕЛИКА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ВЫЕМКЕ ЗАПАСОВ ПЕРСПЕКТИВНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПАРТОМЧОРР В ХИБИНСКОМ МАССИВЕ
Перспективное месторождение Партомчорр располагается вблизи Симбозер-ского заповедника, в связи с чем возникает необходимость минимизации влияния отработки подземных способом запасов апатит-нефелиновых руд на окружающую среду и сохранения дневной поверхности в первоначальном нетронутом состоянии. С целью выбора системы разработки, удовлетворяющей данным условиям, проведен многовариантный прогноз изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород Партомчоррского месторождения по мере выемки полезного ископаемого. Расчеты выполнены методом конечных элементов в объемной постановке с использованием программного комплекса Sigma3D, разработанного в Горном институте КНЦ РАН. Приведены результаты моделирования НДС массива горных пород в окрестности месторождения Партомчорр при применении различных систем разработки, а также анализ распределения растягивающих деформаций в подработанной толще пород. Обоснованы безопасные параметры приповерхностного целика и предлагаемой для применения камерно-целиковой системы с открытым очистным пространством.
Ключевые слова: геомеханика, численное моделирование НДС, устойчивость целиков, предел прочности пород, обоснование параметров системы разработки.
Партомчоррское месторождение расположено на территории Кировского района, в пределах Хибинского щелочного массива, в 30 км севернее г. Кировска. Месторождение пространственно связано с породами комплекса ийолит-уртитов. Рудная зона мощностью до 185 м, представленная переслаиванием апатит-нефелиновых руд с уртитами и йолитами, прослежена по простиранию на расстоянии до 6.0 км и по падению на 1.2 км до отметки — 600 м. Падение рудной зоны пологое, 30—35° ЮВ. По составу и пространственному положению в рудной
зоне выделяются три рудных тела, разделенные на отдельных участках безрудными прослоями. Форма рудных тел пластообразная, линзовидная.
Особенности геомеханического состояния месторождения «Партомчорр» обусловлены несколькими факторами: действием в массиве тектонических сил; гористым рельефом поверхности; значительной обводненностью пород. Указанные факторы, а также необходимость сохранения нетронутой дневной поверхности должны учитываться при выборе технологических систем разработки и их параметров. Для решения данной зада-
чи выполнена многовариантная прогнозная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород Партомчоррского месторождения по мере выемки запасов полезного ископаемого. Карта района месторождения с проекциями рудных тел и границами расчетных областей приведена на рис. 1.
На основе анализа горно-геологической, геомеханической и технологической информации разработаны численные модели для расчета НДС
исследуемого массива на нескольких масштабных уровнях. Расчеты выполнялись методом конечных элементов в объемной постановке с использованием программного комплекса Б1дта30, разработанного в Горном институте КНЦ РАН [1].
Для получения достоверных результатов расчетного поля напряжений применена методика последовательных приближений, в соответствии с которой моделирование выполнялось в несколько этапов.
Рис. 2. Распределение втп в массиве пород до начала отработки запасов а) по разрезу 34+40м, б) в слое элементов под поверхностью
а
Граничные условия для мелкомасштабной модели задавались на основе сформировавшихся на сегодняшний день представлений о напряженном состоянии пород в Хибинском массиве. Самым существенным с точки зрения формирования полей напряжений фактором для данного массива пород является действие в нем тектонических напряже-
ний. Максимальная компонента напряжений ориентирована параллельно или субпараллельно простиранию рудной залежи, абсолютные величины напряжений и их изменение с глубиной предполагались аналогичными напряжениям на других месторождениях Хибин, для которых собрана достаточная база натурных измерений напряжений.
В результате получено исходное поле напряжений массива пород, включающего месторождение Пар-томчорр, которое характеризуется как высоконапряженное (значения максимальной компоненты сжимающих напряжений от 40 до 55 МПа) с ориентацией стах по простиранию
рудных тел в высотных отметках будущих подземных горных работ. Концентрация смах приурочена к долине, под которой и будет начата отработка запасов. В самом рудном теле уровень напряжений несколько ниже и варьируется в пределах 40— 45МПа.
в
Рис. 3. Распределение ат„ после отработки запасов выше отметки +90м в пределах разрезов 30—39: а — по разрезу 34+40 м, б — площадки по разрезу 34+40 м в — в слое элементовпод поверхностью
Модель второго этапа (крупномасштабная) включает участок месторождения Партомчорр протяженностью 1240 м (от разреза 26 до разреза 41+40); ее размер вкрест простирания — 560 м; нижняя граница модели расположена на отметке +10 м. В качестве граничных условий были заданы узловые перемещения, полученные на первом этапе моделирования.
Для данной модели рассчитана серия вариантов со сплошной выемкой рудного тела выше отметки +90 м в пределах разрезов 30+39 между охранными целиками. Минимальные размеры приповерхностного целика в вариантах меняли от 20 до 50 метров.
Анализ НДС выполнен для максимальной и минимальной компонент главных напряжений (отах, от;п). Для выявления зон возможного разрушения массива было важно выявление областей растяжения, так как вмещающие породы и рудное тело имеют значительно более низкий предел прочности на растяжение, чем на
сжатие. Направление прорастания потенциальных трещин отрыва определяли по ориентировке площадок, на которые действуют напряжения растяжения с абсолютной величиной выше предельной.
Приведем сначала результаты расчетов для исходного состояния массива по разрезу 34+40 м, где отмечаются более высокие напряжения сжатия (рис. 2, а); а также в слое элементов непосредственно под дневной поверхностью (рис. 2, б). Штриховкой показана зона, где данный слой элементов уходит под гористый рельеф, сплошными линиями — границы проектной очистной выемки, пунктирными — границы охранного целика 4 (светлый тон — горизонт +170 м, темный тон — горизонт +90 м).
Как видно наибольший уровень растягивающих величин от;п (около 4 МПа) наблюдается у верхней угловой зоны рудного тела в лежачем боку рудной залежи. Подобное распределение от;п характерно и для
других разрезов. Под дневной поверхностью долины также прослеживается область растягивающих напряжений, но значения от;п в ней не превышают 2 МПа. Предел прочности вмещающих пород на растяжение «10 МПа, однако при развитой естественной трещиноватости это значение снижается.
Ситуация в приповерхностной зоне при сплошной выемке запасов рудного тела выше отметки +90 м в пределах разрезов 30^39 между охранными целиками 2 и 4 (рис. 3) заметно ухудшается. Так, значения растягивающих напряжений над очистным пространством в лежачем боку рудного тела достигают 10 МПа, и зона критических по абсолютным величинам растяжений выходит на дневную поверхность. Кроме того, направление вероятных трещин отрыва (рис. 3, б, под углами 60—80° будет способствовать разрушению потолочины созданного обнажения и сокращению приповерхностного целика, что в свою очередь с большой долей вероятности приведет к обрушению вмещающих пород до дневной поверхности.
Было рассмотрено еще несколько вариантов с увеличенной потолочиной. Имитировали выемку запасов в тех же разрезах, но без отработки верхней части рудного тела. Это, безусловно, снижает уровень опасных растягивающих напряжений, однако в недостаточной мере.
На дневной поверхности наблюдается протяженная зона растягивающих напряжений от;п, абсолютная величина которых более 3 МПа. Как отмечено в [3], до отметки +130 м выделяются зоны повышенной трещи-новатости, кроме того в долине реки
Кунийок и у озера Щучье находится слой рыхлых четвертичных отложений, мощность которого колеблется в пределах 40—50 м в осевой части долины, а на выходе рудной залежи составляет от 10 до 26 м.
Таким образом, сплошная выемка запасов, например, при применении системы разработки с подэтажным обрушением, приведет к обрушению подработанной толщи до дневной поверхности. Альтернативным вариантом системы разработки является ка-мерно-целиковая система с открытым очистным пространством.
Для геомеханического обоснования брали предложенное соотношение размеров камер и целиков 60 м и 20 м соответственно. В сетку конечных элементов крупномасштабной модели были добавлены сечения вкрест простирания рудной залежи таким образом, чтобы шаг между сечениями составлял 5 м, и возможно было варьирование размеров целиков.
Оценивали изменение напряженно-деформированного состояния по мере развития работ, как в окрестностях камер, так и непосредственно в междукамерных и междуэтажных целиках. На рис. 4 представлены изолинии максимальной компоненты напряжений стах по центру камер (наклонный разрез по простиранию рудной залежи) для варианта с тремя камерами по 60 м и целиками 20 м. Исходные значения стах для исследуемого участка массива составляют около 40 МПа в руде, около 45 МПа во вмещающих породах. С образованием камер появляются зоны концентраций напряжений в потолочине камер — с величинами до 70 МПа, в междукамерных целиках — с величинами до 65 МПа, а также у днища камер — до 60 МПа.
а
То есть, полученные величины в зонах концентрации напряжений составляют до 0.5ссж (ссж — предел прочности пород на одноосное сжатие). Растягивающие напряжения в кровле одной из камер достаточно высокие, но не выходят на дневную поверхность. Однако, необходимо увеличение мощности потолочины в
связи с повышенной трещиноватостью приповерхностных пород.
В следующем варианте рассчитывали НДС при уменьшении междукамерных целиков до 15 м. Уровень напряжений стах в потолочине и междукамерных целиках возрастает приблизительно на 5%, рост растягивающих напряжений ст„ незначительный.
Несмотря на достаточно высокий уровень растяжений в стенках (особенно в верхней части камер), реализация разрушений здесь маловероятна в силу следующих факторов:
• массив умеренно «поджат» сжимающими напряжениями;
• направление потенциальных трещин отрыва субгоризонтальное.
Был просчитан также вариант с 10-метровыми целиками, однако, в этом случае в междукамерных целиках происходит дальнейший рост сжимающих напряжений до 75 МПа,
б
а
также достаточно существенно увеличиваются сттах в днищах камер. Поэтому, размер междукамерных целиков должен составлять не менее 15 м для камер протяженностью 60м.
Далее был рассмотрен вариант с увеличением минимальной мощности потолочины камер до 30 м и междукамерными целиками 15 м (рис. 5). Это дает видимый эффект в приповерхностной зоне, где уровень растягивающих сттт становится близок к исходным величинам и не превышает 2 МПа. Уровень сжимающих напряжений в кровле камер ниже в 1.4 раза при увеличении мощности потолочины на 10—15 м. В междукамерных целиках и днище камер геомеханическая ситуация меняется незначительно.
При имитации дальнейшего развития горных работ, а именно формировании 5 и затем 7 камер верхнего этажа с выбранными параметрами, зоны концентраций напряжений под поверхностью приурочены к перегибу рельефа в районе разреза 34 и границам камер со стороны лежачего бока. Уровень напряжений в междукамерных целиках и днищах камер меняется незначительно и не превышает для максимальной сжимающей компоненты 65 МПа, а для растягивающих напряжений — 7 МПа. Значения растяжений выше в стенках крайних камер. Следует отметить, что ориентация трещин отрыва в стенках камер такова, что реализация локальных разрушений может происходить в угловой зоне потолочины камеры со стороны лежачего бока.
Таким образом, по результатам проведенных численных геомеханических исследований массива пород можно предложить следующие размеры камер и целиков:
• размер камеры — 60 м;
• размер междукамерного целика — 15 м;
• мощность приповерхностного целика — не менее 30 м
Причем, в случае выраженной тре-щиноватости приповерхностного слоя пород необходимо увеличивать его мощность до 50 м. С целью уточнения параметров камер и целиков и определения нарушенности верхнего слоя пород необходимо проведение дополнительных натурных исследований.
Выводы
1. В результате мелкомасштабного моделирования с учетом основной горно-геологической и геомеханической информации оценена изменчивость исходного поля напряжений в районе месторождения Партомчорр, которое характеризуется как высоконапряженное (значения максимальной компоненты сжимающих напряжений от 40 до 55 МПа) с ориентацией атах по простиранию рудных тел в высотных отметках будущих подземных горных работ.
2. Показано, что сплошная выемка запасов с оставлением природоохранных целиков, например, при применении системы разработки с подэ-тажным обрушением, приведет к обрушению подработанной толщи пород до дневной поверхности.
3. На основании анализа результатов крупномасштабного моделирования НДС для варианта системы с открытым очистным пространством сделан вывод о том, что допустимыми по уровню напряжений являются размеры камер и целиков, 60м и 15—20 м соответственно. При данных параметрах максимальная компонента сжимающих напряжений не превышает в целиках 65МПа, что составляет «0.5стсж (где стсж —. предельное значение прочности пород на одноосное сжатие).
В связи с наличием зон концентраций растягивающих напряжений в приповерхностном целике при применении этажно-камерной системы его мощность должна быть не
менее 30 м. В случае выраженной трещиноватости приповерхностного слоя пород необходимо увеличить мощность приповерхностного целика до 50 м.
1. Козырев A.A., Семенова И.Э., Шестов A.A. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород как основа прогноза уда-роопасности на разнык этапах освоения месторождений. Сборник тр. Всероссийской научной конференции с международным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горный работ» Апатиты; Санкт-Петербург 2009, с. 251—256.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах. Часть 1 // Апатиты, Изд-во КНЦ РАН, 1996.
3. Технико-экономические предложения участника конкурса на разрешение пользования недрами с целью добычи апатит-нефелиновых руд месторождения Партом-чорр в Мурманской области. // Москва, 2006. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев Анатолий Александрович — профессор, доктор технических наук, заместитель директора, [email protected],
Семенова Инна Эриковна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, [email protected],
Земцовский Александр Васильевич (заочно) — научный сотрудник, [email protected] Горный институт Кольского научного центра РАН.
А
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОГРАММЫ КУРСА «ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ»
(№ 958/05-13 от 06.03.13, 03 с.)
Волошиновский Кирилл Иванович— ассистент кафедры AT, даБ7<1еу@дтай.сотМосковский государственный горный университет,
THE PRACTICAL PART OF THE COURSE PROGRAMME «RESEARCH AND TESTING OF INSTRUMENTS AND SYSTEMS»
Voloshinovskiy Kirill Ivanovich
