Научная статья на тему 'Определение безопасных параметров приповерхностного целика при подземной выемке запасов перспективного месторождения Партомчорр в Хибинском массиве'

Определение безопасных параметров приповерхностного целика при подземной выемке запасов перспективного месторождения Партомчорр в Хибинском массиве Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
95
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГЕОМЕХАНИКА / GEOMECHANICS / ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС / NUMERICAL SIMULATION OF STRESS STRAIN STATE / УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ / PILLAR STABILITY / ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПОРОД / ROCK STRENGTH / ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ / SUBSTANTIATION OF MINING METHOD PARAMETERS

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Козырев Анатолий Александрович, Семенова Инна Эриковна, Земцовский Александр Васильевич

Перспективное месторождение Партомчорр располагается вблизи Симбозерского 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Козырев Анатолий Александрович, Семенова Инна Эриковна, Земцовский Александр Васильевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Determination of safety parameters of near-surface pillar for underground mining of perspective Partomchorr deposit in Hibiny massif

Perspective Partomchorr deposit is located near the Simboserskiy preserve, so there is a necessity to reduce influence of excavation of apatite-nepheline ore by underground mining on environment and to keep surface initial state. Prediction of changes in stress strain state due to excavation is carried out for choosing mining method of the Partomchorr deposit. Three-dimensional computations are carried out by finite element method with Sigma3D software which was developed in Mining institute of the Kola Science Centre. The results of stress strain state simulation of the Partomchorr deposit with different mining methods are presented in this article. The analysis of tensile strain distribution in underworked rock mass is also presented. The safety parameters of near-surface pillar and room-and-pillar method are established.

Текст научной работы на тему «Определение безопасных параметров приповерхностного целика при подземной выемке запасов перспективного месторождения Партомчорр в Хибинском массиве»

© 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, kozar@goi.kolasc.net.ru,

Семенова Инна Эриковна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, innas@goi.kolasc.net.ru,

Земцовский Александр Васильевич (заочно) — научный сотрудник, zerntsovskiy@yandex.ru 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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.