CC BY
207
УДК 624.121
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ (RQD) И РЕЙТИНГА (RMR) РУДНОГО МАССИВА В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТЫ «СКАЛИСТАЯ»
Юрий Николаевич Шапошник
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-технических геотехнологий, тел. (983)302-87-06, e-mail: [email protected]
Владимир Александрович Усков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений тел. (383)205-30-30, доп. 198, e-mail: [email protected]
Исследована степень нарушенности рудного массива в разведочном штреке шахты «Скалистая». Определены качественная характеристика (RQD) и рейтинг (RMR) массива богатой руды. Рекомендованы условия поддержания выработки.
Ключевые слова: рудный массив, степень нарушенности, устойчивость, безопасность, технологические параметры.
DEFINITIONS QUALITIVE CHARACTERISTIC (RQD) AND RATING (RMR) ORE MASS IN THE UNDERGROUND DRIVE OF THE SKALISTY MINE
Yury N. Shaposhnik
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., professor, Principal Researcher, Physical-technical Geotechnology Laboratory, tel. (983)302-87-06, e-mail: [email protected]
Vladimir A. Uskov
Инст Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Principal Researcher, Underground Ore Mining Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 198, e-mail: [email protected]
The degree of disturbance of the ore mass in the exploration drive of Skalisty mine. Defined qualitative characteristic (RQD) and rating (RMR) of rich ore mass ore. Recommended conditions of maintaining production.
Key words: rock mass, damage, stability, safety, technological parameters.
Шахта «Скалистая» входит в состав объединенного рудника «Комсомольский» Заполярного филиала публичного акционерного общества «Горно-металлургичекая компания «Норильский Никель» (ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель») и отрабатывает Первую и Вторую Северные залежи Талнахского месторождения медно-никелевых руд [1]. Сульфидные медно-никелевые руды располагаются на восточном крыле Норильско-Хараелахского разлома (НХР на рис. 1) и представлены тремя промышленными типами: сплошными (богатыми), медистыми и вкрапленными рудами (рис. 1).
Рис. 1. Условия залегания Северной залежи 2: разрез по слоевому орту 2/8 [1]
Благоприятные условия залегания пластообразных рудных залежей под углом падения 6-8° позволяют наиболее эффективно отрабатывать их самоходной техникой с дистанционным управлением камерной системой разработки с плоским днищем с твердеющей закладкой. В кровле богатых руд залегают габбро-долериты Талнахского интрузивного комплекса. Контакты с перекрывающими породами и подстилающими песчаниками четкие, ровные или слабоволнистые.
Физико-механические характеристики руды и вмещающих пород приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства руды и вмещающих пород
Показатели
Порода, руда Плотность, т/м3 Прочность при сжатии, Осж, Мпа Динамический модуль упругости Ех103, Мпа
Габбро-долериты 3.0 160^190 80
Сплошные 4.0 95 80
сульфидные руды
Песчаник 2.6 148 15
На шахте «Скалистая» паспорта крепления подземных горных выработок составляют на основе критериев, учитывающих горно-геологические характе-
ристики массива пород: прочность, трещиноватость, напряженное состояние -(первичные факторы) и горнотехнических условий проходки и эксплуатации выработок: изменение конфигурации очистных пространств, взрывные работы, различные операции технологических циклов - (вторичные факторы). Существуют рекомендации [2] по выбору вида крепи нарезных и подготовительных выработок вне зоны влияния и в зоне влияния очистных работ для рудников ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель».
Задачей исследований являлось изучение нарушенности рудного массива в разведочном штреке РШ л12 шахты «Скалистая» (рис. 1) для определения качественной характеристики (RQD) и рейтинга (RMR) богатой руды с последующим сравнением рекомендуемых условий поддержания выработки по зарубежным методикам с существующими рекомендациями [2].
Основной популярностью за рубежом при выборе типа крепления выработок пользуются два критерия устойчивости массивов: классификация Беняв-ского (RMR) и критерий Бартона (Q). Геомеханическая классификация (рейтинг горных пород - RMR) была предложена Бенявским в 1973 году [3]. В систему вносили изменения, по мере поступления новых данных, полученных в ходе исследований. Одна из последних версий RMR была принята в 1989 году [4,5].
Съемка трещиноватости рудного массива в РШ л12 проводилась линейным методом массовых замеров (Scanline Mapping). Инструментально (горным компасом и рулеткой) измерялись углы и азимуты падения трещин (Dip & Dip Direction), длина следа трещин на поверхности горных выработок (Trace Length), расстояние по нормали до ближайшей трещины данной системы (Spacing).
Методика определения качественных характеристик горных пород Rock Quality Designation (RQD) по наблюдениям в подземных выработках состоит в измерении рулеткой по прямым линиям на поверхности массива пород. Участок на борту выработки пересекался лентой рулетки и выполнялась фотосъемка трещин на фоне ее линейной шкалы.
Значение RQD вычислялось как отношение суммарной длины участков длиной более 10 см на общую длину линии замера равной 200 см. Схема измерений представлена на рис. 2. RQD можно измерять в различных направлениях.
Трещины протяженностью менее чем 1 м не должны включаться в вычисления RQD, так как трещина может быть создана в результате повреждения массива от взрыва и не оказывает значимого влияния на устойчивость массива горных пород (не достаточно длинна).
Во избежание влияния трещин, образованных в массиве при взрыве, только трещины - отдельности длиннее 1 м включаются для оценки RQD при линейном картировании.
Устойчивость массива горных пород определяется по критерию прочностных свойств пород и характеристики их монолитности по показателю состояния пород RQD, отражающим выход керна в столбцах длиной более 0,1 м, модулей трещиноватости и кусковатости (табл. 2).
гсюст
показатель качества массива горных порд в выработкам берется как среднее нескольких и ¡.нерений
(ол*
Лги
Рис. 2. Определение RQD по наблюдениям в подземных выработках.
Таблица 2
Классификация устойчивости массива горных пород по рейтингу RQD
Категория и степень устойчивости пород Предел прочности на сжатие <сж, МПа Выход керна, % Показатель состояния пород RQD, % Модуль трещино-ватости, тр/м Модуль кускова-тости, кс/м
I - весьма устойчивые >80 >85 >92 <1 <2
II - устойчивые 50-80 30-85 60-97 1-5 2-8
III - средней устойчивости 10-50 5-30 40-60 5-15 8-15
IV - неустойчивые <10 <5 <40 >15 >15
Для определения рейтинг массива горных пород RMR используют следующие показатели массива:
- прочность пород на одноосное сжатие (рейтинг JА1 в пределах от 0 до 15
баллов в зависимости от прочности пород);
- показатель качества массива RQD (Rock Quality Designation) (рейтинг JА2 в пределах от 3 до 20 баллов в зависимости от показателя RQD;
- расстояние между трещинами (рейтинг JA¿ в пределах от 5 до 20 баллов); характеристика трещин (рейтинг JA4 в пределах от 0 до 30 баллов), включающая:
- шероховатость трещин (рейтинг JA4l в пределах от 0 до 6 баллов);
- длина трещин (рейтинг 3А42 в пределах от 0 до 6 баллов);
- раскрытие трещин (рейтинг 3^43 в пределах от 0 до 6 баллов);
- заполнение трещин (рейтинг 3^44 в пределах от 0 до 6 баллов);
- выветрелость стенок трещин (рейтинг 3^45 в пределах от 0 до 6 баллов). Рейтинговая оценка геологической характеристики трещиноватости
3^4 определялся суммой рейтингов по отдельным показателям по формуле [5]:
3А4 = 3А41 + 3А42 + 3А43 + 3А44 + 3А45 (1)
- условия обводненности выработки (рейтинг 3а5 в пределах от 0 до 15 баллов);
- направление трещин относительно оси выработки и угол их падения (рейтинг 3В в пределах от 0 до -12 баллов; отрицательные значения баллов рейтинга данного показателя при определении итогового рейтинга массива ЯМЯ вычитаются из суммы баллов других показателей).
Итоговый рейтинг массива определялся суммой баллов по всем показателям в пределах от 0 до 100 баллов по формуле [5]:
ЛШ = 3А1 + 3А2 + 3А3 + 3А4 + 3А5 + 3В (2)
Фотография борта РШ л12 в момент проведения замеров приведена на рис. 3.
Рис. 3. Фотография с наложением трещин богатой руде на борту РШ л12 шахты
«Скалистая» (пикет 374)
Указания по определению значений ИМЯ рейтингов всех показателей в баллах приведены в табл. 3-5.
Таблица 3
Определение рейтинговых показателей массива горных пород ЯМЯ
Параметр И нтервалы значений
А1. Прочность породы на одноосное сжатие > 250 МПа 100*250 МПа 50*100 МПа 25*50 МПа 5*25 МПа 1*5 МПа < 1 МПа
Рейтинг /а 15 12 7 4 2 1 0
А2. Качество массива по выходу керна ядэ 90% * 100% 75% * 90% 50% * 75% 25% * 50% < 25%
Рейтинг /А2 20 17 13 8 3
А3. Расстояния между трещинами >2 м 0.6 - 2м 200 - 600 мм 60 -200мм <60 мм
Рейтинг /аз 20 15 10 8 5
А4. Характеристика трещин
А4.1. Шероховатость трещин очень шероховатые слегка ше-рохова-тые слегка ше-рохова-тые гладкие поверхности следы скольжения
Рейтинг /А41 6 5 3 1 0
А4.2. Длина трещин <1 м 1*3 м 3*10 м 10*20 м >20 м
Рейтинг /а42 6 4 2 1 0
А.4.3. Раскрытие трещин нет <0,1 мм 0,1*1,0 мм 1*5 мм >5 мм
Рейтинг/А43 6 5 4 1 0
А4.4. Заполнитель трещин нет твердый заполнитель < 5 мм твердый заполнитель > 5 мм мягкий заполнитель < 5 мм мягкий заполнитель > 5 мм
Рейтинг /а44 6 4 2 2 0
А4.5. Выветрелость стенок трещин нет слегка вы-ветрелые средне вы-ветрелые сильно выветре-лые раздробленные
Рейтинг/А45 6 5 3 1 0
3А4 = 3А41 + 3А42 + ^ ТА43 ^"0/А44 + /а25 20 10 0
А5. Обводненность выработки полностью сухая влажная мокрая капеж водоприток
Рейтинг/А5 15 10 7 4 0
В. Ориентация трещин очень бла-гоприят-ные благопри-ят-ные средние неблагоприятные очень неблагоприятные
Рейтинг /в 0 - 2 - 5 - 10 - 12
В результате обработки результатов измерений в разведочном штреке РШ л12 шахты «Скалистая» получены следующие показатели нарушенности рудного массива.
Таблица 4
Классификация массивов по рейтингу ЕЖЕ.
Рейтинг массива RMR Класс скального массива Оценка устойчивости Среднее время устойчивости Сцепление в массиве, МПа Угол внутреннего трения, град.
100 * 81 I весьма устойчивые породы 20 лет при пролете 15 м > 0,4 > 45
80 * 61 II устойчивые породы 1 год при пролете 10 м 0.3*0.4 35 * 45
60 * 41 III породы средней устойчивости 1 неделя при пролете 5 м 0.2*0.3 25 * 35
40 * 21 IV неустойчивые породы 10 часов при пролете 2.5 м 0.1*0.2 15 * 25
< 21 V весьма неустойчивые породы 30 мин. при пролете 1 м < 0,1 < 15
Таблица 5
Влияние ориентации трещин на устойчивость выработок
Простирание трещин вкрест оси выработки Простирание трещин параллельно оси выработки
проходка выработки ведется по падению трещин с углами падения 45^90° проходка выработки ведется по падению трещин с углами падения 20^45° углы падения трещин 45*90° углы падения трещин 20*45°
очень благоприятные благоприятные неблагоприятные очень неблагоприятные
проходка выработки ведется против падения трещин с углами падения 45^90° проходка выработки ведется против падения трещин с углами падения 20^45° углы падения трещин 0*20° независимо от простирания
благоприятные неблагоприятные неблагоприятные
Показатель качества массива RQD по формуле (2) при расстояниях между трещинами по горизонтали (более 10 см): 36.1; 14.5; 23.7; 19.1; 17.9; 12.0; 27.4 и суммарной длине участка 200 см:
Расчетные рейтинги для определения рейтинга массива RMR следующие:
- при прочности богатых руд на одноосное сжатие 95 МПа значение рейтинга JAi = 7;
- при качестве массива RQD = 75.3% рейтинг JA2 = 17;
- при расстоянии между трещинами (рис. 2), равное 200 см / 14 (количество
трещин) = 20 см, значение рейтинга равно 14.2, для дальнейших расчетов принимаем /аз = 8;
Рейтинг шероховатости трещин /а4 определяется по формуле (1):
3А4 = 3+2+4+2+6 = 17, где при слегка шероховатых трещинах принято /А41 = 3; при длине трещин 310 м принято /А42 = 2; при раскрытии трещин 0.1*1.0 мм принято /ааз = 4; при мягком заполнителе < 5 мм принято /а44 = 2; при отсутствии выветрелости стенок трещин принято /аа5 = 6.
При полностью сухой выработки рейтинг обводненности выработки принято значение показателя /А5 = 15.
Проходка выработки ведется против падения трещин с углами падения 45*90°, ориентация трещин благоприятная, следовательно, рейтинг составляет /в = -2. Тогда рейтинг богатых руд ЯМЯ = 62.
По рейтингу ЯМЯ богатые руды могут быть отнесены к устойчивым породам. Скальный массив богатых руд имеет II класс устойчивости (табл. 4).
Тогда значение показателя Д рейтинга Бартона [5,6] для богатых руд определяется по формуле:
д _ Я0° _ _ ^ (3)
/п 3а ^яР
где ЯДО = 75.3 - качество породы; /п = 4 - количество систем трещин; /г = 3 -показатель шероховатости трещин; /а=1 - показатель сцепления поверхностей трещин; = 1 - фактор наличия воды в трещинах; $>ЯР = 15 - фактор высокого давления в массиве. По Д-рейтингу полученное значение (Д = 3,76) для богатых руд по степени устойчивости находится ближе к средне устойчивым, а горный массив, сложенный богатыми рудами, относится к средним.
Для выбора оптимального вида крепи с использованием полученных результатов рекомендуется использовать диаграмму, разработанную Норвежским геомеханическим институтом (рис. 4).
Для ширины выработки (пролета) 5,2 м и значении Д = 3,76 рекомендуется анкерное крепление железобетонными анкерами длиной 1,6 м с расстоянием между анкерами а = 1,6. Диаметр арматуры анкера 20 мм.
По рекомендациям [2] с данными характеристиками богатые руды относятся к средне нарушенным породам и для разведочных выработок шириной до 6 м применяется крепление железобетонными анкерами с длиной анкера 1,7 м и расстоянием между анкерами а = 0,7 м. Диаметр арматуры анкера 18 мм. Более густая сетка установки анкеров принята из-за срока службы выработки более года и последующего попадания ее в зону влияния очистных работ.
0.001 0.004 0.01 0.04 0.1 0.4 1 4 10 40 100 400
Рис. 4. Диаграмма параметров крепи в зависимости от Q -рейтинга
Можно сделать вывод, что при определении качественной характеристики (RQD) и рейтинга (RMR) по зарубежным методикам для богатой руды шахты «Скалистая» получаются сопоставимые результаты с существующими рекомендациями [2] по характеру нарушенности пород и рекомендациям условий поддержания выработок. При этом, зарубежные методики не учитывают влияние на выработки очистных работ и промышленных взрывов [7,8].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК |
1. Галаов Р.Б, Кисель А.А., Андреев А.А., Зубков В.В. Оценка напряженного состояния рудного массива залежи С-2 шахты «Скалистая» до начала очистных работ // Горный журнал, №7, 2016.- с. 10-13.
2. Рекомендации по креплению, поддержанию и охране разведочных, капитальных, подготовительных, нарезных и очистных выработок на рудниках «Октябрьский», «Таймырский» и «Комсомольский» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель». - Норильск: 2011.
3. Bieniawsky Z.T. Case studies: prediction of rock mass behavior by the geomechanics classification // Second Australia - New Zealand Conference on geomechanics, 1975, p. 36-41.
4. Beniawski Z.T. Engineering rock mass classification. Wiley, New York, 251 p., 1989.
5. Зенько Д.К., Узбекова А.Р. Основные факторы, влияющие на устойчивость массивов в критериях Бенявскиого (RMR) и Бартона (Q) // ГИАБ, 2004. - с. 273-275.
6. Barton, N.R. (2002). "Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design". International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 39 (2): 185-216.
7. Наговицин Ю.Н., Кисель А.А., Тапсиев А.П., Усков В.А. Критерии выбора типа и расчета параметров крепи горизонтальных выработок на рудниках Норильского промышленного района. - Горный журнал, №6, 2015. - с. 74-80.
8. Тапсиев А.П., Усков В.А. Об особенностях выбора типа крепи нарезных выработок в зоне влияния очистных работ рудников Талнаха // ФТПРПИ. - 2015. - № 6, с 151-155.
© Ю. Н. Шапошник, В. А. Усков, 2017
