CC BY
20
- © В.М. Лизункин, M.B. Лизункин,
Е.Л. Сосновская, A.B. Бсйдин, 2014
УДК 622.831
В.М. Лизункин, М.В. Лизункин, Е.Л. Сосновская, A.B. Бейдин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ (ПРИРОДНЫХ) НАПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ МАССИВОВ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ «СТРЕЛЬЦОВСКОЕ» И «АНТЕЙ»*
Приведены результаты натурных измерений первоначальных (природных) напряжений горных массивов на месторождениях «Стрельцовское» и «Антей», которые рекомендуется использовать при проектировании физико-химической геотехнологии блочного подземного выщелачивания урана и обосновании способов управления горным давлением.
Ключевые слова: вертикальное напряжение, горизонтальное продольное напряжение, горизонтальное поперечное напряжение, горный массив, квершлаг, штрек, метод щелевой разгрузки, напряжение на стенках выработок, первоначальное (природное) напряжение горного массива.
Месторождения «Стрельцовское» и «Антей» являются одними из крупнейших по запасам урана в Стрельцовском рудном поле. Расположены они в восточной части Стрельцовской вулканотектонической кальдеры. Ближайшим населенным пунктом является город Краснокаменск, в котором располагается градообразующее предприятие ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ОАО «ППГХО»), осуществляющее разработку урановых месторождений.
Стрельцовское месторождение локализовано в осадочно-вулканогенной толще, слагающей верхний структурный этаж. В породах нижнего структурного этажа, являющихся фундаментом Стрельцовской кальдеры, непосредственно под Стрельцовским месторождением образовалось месторождение Антей. По структурным, литологическим и морфологическим особенностям оба месторождения существенно различаются, в связи с чем выделены в самостоятельные объекты [1].
Урановое оруденение на Стрельцовском месторождении концентрируется в пределах шести пространственно разобщенных участков, контролируемых узлами сопряжения разноориентированных зон разломов. Рудонасыщенность участков колеблется в широких пределах и основная часть рудных залежей сосредоточена в сравнительно узкой (200-300 м) северо-восточной полосе, проходящей через Западный, Центральный и Восточный участки и ограниченной с юго-востока крупным тектоническим швом 13.
*Работа выполнена в ходе реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Создание комплексной технологии отработки беднобалансового уранового сырья геотехнологическими методами» при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России).
Вертикальный размах оруденения на месторождении составляет 480 м. Рудные залежи, включающие около 80 % запасов урана, на поверхности не проявлены и сконцентрированы в интервале глубин 300-550 м от поверхности. Основные запасы урана (77 %) сосредоточены в трахидацитах, 16 % - в базальтах, остальные в кварцевых порфирах и конгломератах.
На месторождении выделяется три основных морфологических типа рудных залежей, пространственно связанных между собой: крупные жилообразные залежи и мелкие жилы, уплощенные пологонаклонные штокверкоподобные залежи, пластообразные пологозалегающие залежи.
Месторождение «Антей», уникальное по количеству и качеству урановых руд, локализуется в средне- и крупнозернистых порфировидных и биотитовых гранитах фундамента и базальных конгломератах на глубинах 350-1400 метров от дневной поверхности. Геолого-структурные особенности месторождения Антей определяются проявлением на его площади сложной системы крутопадающих разрывов различной ориентировки и многочисленных пологих срывов. Основную роль в локализации уранового оруденения играют тектонические нарушения северо-восточного простирания, наиболее развитые в восточной части месторождения и представленные крупными разрывами 13, 160 и 190. Их совокупность, наряду с серией более мелких швов и трещин, образует рудоносную трещинную зону 6а.
Основным рудоконтролирующим структурным элементом этой зоны является тектонический шов 13 северо-восточного простирания, имеющий протяженность 2,5 км и прослеживаемый на глубину более 1800 м от дневной поверхности.
Месторождение «Антей» является наиболее глубоко залегающим объектом Стрельцовского рудного поля, склонным к горным ударам, а с глубины 500 м по заключению ВНИМИ - опасным по горным ударам. Оно отделяется от выше расположенного Стрельцовского месторождения безрудным покровом нижних базальтов.
По физико-механическим свойствам гранитоиды обладают высокими прочностью и упругостью и незначительной пористостью. В силу изотропности этих свойств при разрядке тектонических напряжений образуются протяженные разрывы и локальные оперящие зоны трещиноватости. При локализации ору-денения в этих условиях формируются крупные линейно вытянутые жилооб-разные залежи сложной формы и мелкие жилообразные залежи простой морфологии.
Крупные жилообразные залежи по простиранию и падению прослеживаются на сотни метров до 1 км; строение их осложнено пережимами оруденения или раздувами мощностей до первых десятков метров. На участках выклинивания крупных залежей обычно развиваются более мелкие жилообразные тела.
Размеры месторождений «Стрельцовское» и «Антей» колеблются по простиранию от первых сотен метров до одного и более километра, с отдельными перерывами. Ширина залежей достигает 200-300 м. Рудные тела имеют размеры по простиранию от 20-30 до 250-300 м, по падению до 150-200 м. Мощности рудных тел колеблются от долей метра до 50-70 м.
Вне зон тектонических нарушений породы большей частью средней устойчивости, в зонах нарушений и рудоносных участках в связи с повышенной трещиноватостью породы неустойчивые.
)Мг
Руды Стрельцовской группы месторождений по качественной характеристике разделяются на контрастные и высококонтрастные. По содержанию металла (%) в полезном ископаемом выделяют следующие технологические сорта руд:
- забалансовые - 0,011-0,030 %;
- беднобалансовые - 0,03-0,16 %;
- рядовые - 0,16-0,30 %;
- богатые и весьма богатые руды >0,30 %.
Основным рудным минералом является урановая смолка, на глубоких горизонтах месторождения «Антей» минералы урана представлены титанитом урана типа браннерита и силикатом урана (возможно коффинитом). Распространенность перечисленных минералов в рудных залежах месторождения различна.
Урановые руды на месторождениях содержат повышенные концентрации молибдена, бериллия, золота, свинца, цинка, из которых только молибден имеет промышленное значение.
Крепость руды и пород по шкале профессора М.М. Протодьяконова изменяется от 8 до 16-18. Плотность руды и породы составляет 2,44-2,65 т/м3. Предел прочности руды и пород изменяется при сжатии от 142,0 до 186,9 МПа, при растяжении - от 9,1 до 17,8 МПа. Скорость продольных волн варьирует от 3953 до 5110 м/с, модуль упругости - от 5,05-10-5 до 6,4-10-5 МПа, коэффициент Пуассона - от 0,20 до 0,25.
В настоящее время и перспективе актуальной задачей для ОАО «ППГХО» является поддержание объемов и рентабельности производства урана в условиях тенденции сокращения его в остаточных запасах руды и увеличения доли разработки маломощных рудных тел по мере углубления горных работ [2]. Отрабатывать такие запасы традиционными подземными физико-техническими геотехнологиями, как показывает отечественная и мировая практика, является нерентабельным [3].
В современных рыночных отношениях отработка залежей с «бедными» рудами, составляющими 20 % от общих запасов, нетрадици-
Блок 5-821
щ - мдерни стаикич (г - ториэонтмънм шгль. ш - «ртнкапния шелю
Рис. 1. Схема расположения наблюдательных станций в блоке 5-821 (гор.УП (+303,2 м))
Рис. 2. Схема расположения наблюдательных станций в ортах 6а-1401, 6а-1400 и штреке 6а-1401 (rop.XIV (120 м))
онной физико-химической геотехнологией блочного подземного выщелачивания (БПВ) урана является весьма перспективным направлением, расширяющим сырьевую базу предприятия.
При разработке месторождений полезных ископаемых важной научно-технической задачей является определение первоначальных (природных) напряжений горного массива, на основании которых рассчитывают параметры конструктивных элементов систем разработки и крепления горных выработок.
Измерения напряжений горных пород производили методом щелевой разгрузки по методике Института горного дела УрО РАН РФ [4]. Оценка действующего напряжения в элементе массива осуществлялась путем изменения его напряженного состояния проходкой щели и измерения при этом соответствующих реакций в виде деформаций распорных реперов, установленных перпендикулярно этой щели.
На Стрельцовском месторождении, которое отрабатывает рудник №1, напряжения определяли в орте 5-721 и полевом штреке 5-701 (гор.УП (+303,2м), блок 5-821) и полевом штреке 5-803 (гор.УШ (+245 м). Глубина горных работ составила 400 и 460 м. Всего измерено напряжение в 21 щелях. На рис. 1 представлена схема расположения наблюдательных станций в блоке 5-821 (гор.УП (+303,2 м)).
На месторождении «Антей», разработку которого осуществляет рудник Глубокий, напряжения определяли в ортах 6а-1401, 6а-1400, штреке 6а-1401 (гор.Х1У (-120 м)) и блоке 6а-1312 (заходка 22 (слой 4), слоевой орт, гор.ХШ (-60 м)). Глубина горных работ составила 872 и 820 м. Наблюдательные станции располагались в средненапряженных участках горного массива. Всего измерено напряжение в 23 щелях. На рис. 2 представлена схема расположения
а
б
Рис. 3. Фотографии вертикальной (а) и горизонтальной (б) разгрузочной щелей на стенке выработки
наблюдательных станций в ортах 6а-1401, 6а-1400 и штреке 6а-1401 (гор.Х1У (-120 м)). Таблица 1
Напряжения на стенках выработок (Стрельцовское месторождение)
№ ще- Вертикальные напряжения, МПа Продольные на- Поперечные на-
ли 0"рв б- пв пряжения бпр, Мпа пряжения бп, Мпа
1 -4,3
2 -17,0
3 -8,5
4 -12,8
5 -8,5
6 -17,0
7 -4,3
8 -4,3
9 -8,5
10 -4,3
11 -12,8
12 -4,3
13 -12,8
14 -4,3
15 -8,5
16 -8,5
17 -21,3
18 -17,0
19 -34,1
20 0,0
21 -17,0
Среднее значе- -15,1 -14,9 -6,4 -6,4
ние
В качестве примера приведены фотографии разгрузочных щелей на стенках выработки (рис. 3).
Шпуры для установки распорных реперов бурили электроперфоратором глубиной 50 мм, диаметром 10 мм. В качестве реперов использовали металлические анкерные болты. Разгрузочные щели пропиливали ручной дисковой алмазной пилой диаметром 250 мм, шириной 3 мм и глубиной 50 мм. Расстояние между реперами определяли микрометром с точностью 1-10-2 мм.
Результаты определения напряжений на стенках выработок приведены в табл. 1-2.
По данным измерений расчетным путем для месторождений «Стрельцовское» и «Антей» установлены соответственно 66 и
Таблица 2
Напряжения на стенках выработок (месторождение Антей)
138 значений напряжений, в т.ч. действующих вертикально (34 и 66 определений), по простиранию, т.е. продольные напряжения (16 и 36 определений) и вкрест простирания - поперечные напряжения (16 и 36 определений). Средние значения первоначальных напряжений (вертикальное, продольное, поперечное) представлены в табл. 3.
Величины напряжений для месторождений
«Стрельцовское» и «Антей» аппроксимируются соответственно следующими формулами о в =-уИ,
Опр = оп =-0,64уИ, о в =-уИ,
ОпР =-0,7уН оп =-1,5уИ, где у - плотность пород и руд, МН/м3; И - глубина горных работ, м.
Анализ результатов полученных напряжений массива горных пород позволяет отметить следующее.
На Стрельцовском месторождении фактические первоначальные напряжения массива горных пород отличаются от теоретических (по А. Гейму), за исключением вертикального напряжения. Последнее примерно равно гравитационному напряжению от веса налегающих пород (измеренное напряжение составляет 1,07 теоретического значения). Горизонтальные напряжения (продольное и поперечное) равны между собой и составляют 0,64 от вертикального напряжения. Такое соотношение напряжений соответствует условиям гипотезы гравитационных напряжений, предложенной А.Н. Динником (максимальные напряжения направлены вертикально, а горизонтальные равны между собой, но по величине меньше их).
Для условий месторождения «Антей» такое соотношение напряжений соответствует условиям гипотезы гравитационно-тектонических напряжений. Фактические первоначальные напряжения массива горных пород отличаются от теоретических (по А. Гейму), за исключением вертикального напряжения, которое равно гравитационному напряжению от веса налегающих пород. Наибольшее значение имеет горизонтальное напряжение, направленное вкрест простирания рудного тела (поперечное). Оно в 1,5 раза превышает вертикаль-
№ щели Вертикальные напряжения, МПа Продольные напряжения апр, Мпа Поперечные напряжения ап,, Мпа
0ПРв * Пв
1 -36,5
2 0,0
3 -18,2
4 -24,3
5 -66,9
6 -36,5
7 -48,6
8 -6,1
9 -12,2
10 -6,1
11 0,0
12 -24,3
13 -66,9
14 -36,5
15 -18,2
16 -6,1
17 -36,5
18 -12,2
19 -12,2
20 -30,4
21 -6,1
22 -12,2
23 -12,2
Среднее значение -28,4 -20,7 -11,1 -31,4
Таблица 3
Результаты натурных измерений напряжений массива горных пород на месторождениях «Стрельцовское» и «Антей»
¡8 Теоретическое напряжение (по гипотезе А. Гейма), МПа Результаты натурных измерений напряжений
£ горных массивов
Напряжение Глубина разработ м Число единичных определений напряжения Напряжение, МПа ± предельное откл-е Отношение про-доль-ного напряжения к вертикальному а„р /о„ Отношение попе-реч-ного напряжения к вертикальному ап/ав
1 2 3 4 5 6 7
Стрельцовское месторождение
Вертикальное Продольное Поперечное 400 111 000 1 1 1 34 16 16 -10,8±1,2 -6,9±1,6 -6,9±1,0 0,64 0,64
Месторождение Антей
Вертикальное Продольное Поперечное 870 -22,8 -22,8 -22,8 66 36 36 -22,8±2,7 -16,3±2,4 -34,1±3,3 0,7 1,5
ное напряжение. Это объясняется наличием в горном массиве значительных напряжений тектонического происхождения, обусловленных сложной системой крутопадающих разрывов различной ориентировки и многочисленных пологих срывов.
На основе выявленных закономерностей определены первоначальные напряжения горного массива для расчета параметров конструктивных элементов систем разработки для различных глубин, представленные в табл. 4-5.
Таблица 4
Первоначальные напряжения горного массива для Стрельцовского месторождения_
Глубина разработ- Значения напряжений, МПа
ки от поверхности, Вертикальное Продольное Поперечное
м Ов Опр Оп
300 -7,6 -4,8 -4,8
400 -10,1 -6,5 -6,5
500 -12,6 -8,1 -8,1
600 -15,1 -9,7 -9,7
700 -17,6 -11, 3 -11,3
800 -20,2 -12,9 -12,9
Таблица 5
Первоначальные напряжения горного массива
для месторождения «Антей» (средненапряженные участки)
Глубина разработ- Значения напряжений, МПа
ки от поверхности, Вертикальное Продольное Поперечное
м Ов Опр Оп
600 -15,7 -11,0 -23,6
700 -18,3 -12,8 -27,4
800 -21,0 -14,7 -31,5
900 -23,6 -16,5 -35,4
Установленные величины напряжений на месторождениях «Стрельцовское» и «Антей» рекомендуется использовать при проектировании геотехнологии блочного подземного выщелачивания (БПВ) урана, расчета конструктивных параметров систем разработки и обоснования способов управления горным давлением.
1. Ищукова Л. П. Геология Урулюнгуев-ского рудного района и молибден-урановых месторождений Стрельцовского рудного поля / Л.П. Ищукова, Ю.А. Игошин, Б.В. Авдеев и др. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998. - 524 с.
2. Лизункин Б.М. Комбинированная геотехнология добычных работ с рентгенора-диометрической сортировкой и выщелачиванием урана из бедной рудной массы в подземных условиях / В.М. Лизункин, А.А.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Морозов, А.В. Бейдин. // Горный журнал. -2013. - № 8(2). - С. 21-25.
3. Лизункин Б.М. Отработка маломощных крутопадающих урановых жил способом подземного выщелачивания / В.М. Ли-зункин, А.А. Гаврилов, А.А. Морозов. // Горный журнал. - 2013. - № 8(2). - С. 2528.
4. Блох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. -
М.: Недра, 1994. - 208 с.ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Лизункин Бладимир Михайлович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», е-шаИ: mail@zabgu.ru,
Лизункин Михаил Бладимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Подземная
разработка месторождений полезных ископаемых», е-шаП: mail@zabgu.ru,
Бейдин Алексей Бладимирович - старший преподаватель кафедры «Подземная разработка
месторождений полезных ископаемых», е-mail: mail@zabgu.ru,
Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»),
Сосновская Елена Леонидовна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГГУ»); е-mail: info@istu.edu.
UDC 622.831
DETERMINATION OF INITIAL (NATURAL) VOLTAGES ROCK MASS IN THE STRELTSOVSKY AND ANTEY DEPOSITS
Lizunkin V.M., Doctor of Technical sciences, Professor, Head of the department «Underground mining of mineral deposits», Zabaikalskiy State University, E-mail: mail@zabgu.ru
Lizunkin M.V., Candidate of Technical sciences, Associate Professor of the department «Underground mining of mineral deposits», Zabaikalskiy State University, E-mail: mail@zabgu.ru
Sosnovskaya E.L., Candidate of Geological-Mineralogical sciences, Associate Professor of the department «Underground mining of mineral deposits», Irkutskiy Technical State University, E-mail: info@istu.edu. Beydin A. V., Senior Teacher of the department «Underground mining of mineral deposits», Zabaikalskiy State University, E-mail: mail@zabgu.ru
Nowadays and in prospects the task for JSC " Priargunsky Mining and Chemical Organization" is to maintain the volume and profitability of uranium production in terms of its declining trend in the residual ore reserve and increasing the share of low-power ore extraction to the extent the deepening of mining. In the modern market relations the mining of base ores deposits, composing 20% of total reserves, by non-traditional physicochemical geotechnology of block situ leaching of uranium is a perspective direction, expanding the raw material base of the enterprise.
For developing the mineral deposits the important scientific and technological task is to determine the initial natural voltage of the rock mass, on the basis on which the parameters of construct elaboration system and timbering mine working are calculated.
This article presents the measurements results of the original natural voltages rock mass in the Streltsovsky and Antey deposits, which are recommended to use for drafting of physicochemical geotechnology block situ leaching (ISL) of uranium and for justification ways of mountain pressure managing.
Key words: vertical voltage, horizontal longitudinal voltage, horizontal transverse voltage, rock mass, crosscut, entry, crevice unloading method, exertion on the rib, original exertion of rock mass.
REFERENCES
1. Ischukova L.P., Igoshin Y.A., Avdeev B.V. Geologiya Urulyunguev-skogo rudnogo raiona i molibden-uranovykh mestorozhdenii Strel'tsovskogo rudnogo polya (Geology of Urulyunguevsky ore district and molyb-denium-uranium deposits of Streltsovsky ore field). Moscow, Closed Joint Stock Company «Geoinformmark», 1998. 524 p.
2. Lizunkin V.M., Morozov A.A., Beidin A.V. Kombinirovannaya geo-tekhnologiya dobychnykh rabot s rentgenora-diometricheskoi sortirovkoi i vyshchelachi-vaniem urana iz bednoi rudnoi massy v podzemnykh us-loviyakh (Combined geotechnology of extraction with X-ray radiometric bracking and uranium leaching from poor lode rock in underground conditions). Gornyi zhurnal. 2013. № 8(2). pp. 21-25.
3. Lizunkin V.M., Gavrilov A.A., Morozov A.A. Otrabotka malomoshchnykh krutopadayushchikh uranovykh zhil sposobom pod-zemnogo vyshchelachivaniya (Processing of low-powered steeply dipping uranium mine by situ leaching). Mountain magazine. 2013. № 8(2). pp. 25-28.
4. Vlokh N.P. Upravlenie gornym davle-niem na podzemnykh rudnikakh (Management of rock pressure in underground mines). Moscow, Mines, 1994. 208 p.
НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2014
Ó киоска «Горной книги» всегда оживлённо
