CC BY
13
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(3-1):208-215 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.831 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-208-215
ОЦЕНКА ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ИРОКИНДИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)
Е.Л. Сосновская1, А.Н. Авдеев1
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
Аннотация: В 2014—2017 гг. на Ирокиндинском руднике, в связи с введением нового технологического оборудования началось растепление многолетнемерзлого массива горных пород, сопровождающееся разрушением его отдельных участков. В связи с этим возникла актуальная необходимость уточнить изменившиеся геомеханические условия и оценить закономерности распределения поля естественного напряженно-деформированного состояния массива горных пород. В процессе исследований измерены природные напряжения при различном криогенном состоянии горных пород: в многолетнемерзлых породах, в переходных зонах мерзлых пород в талые и в талых породах. Измерения произведены методом щелевой разгрузки по методике ИГД УрО РАН. Установлено, что в массиве горных пород Ирокиндинского рудного месторождения происходит изменение структуры поля напряжений в процессе как природного, так и техногенного растепления массива. Характер распределения вертикальных напряжений при растеплении меняется незначительно, горизонтальные напряжения возрастают на 40—60 %. Тектоническая компонента первоначальных напряжений возрастает в несколько раз от -1,8 МПа в мерзлых породах до -22,9 МПа в талых. Результаты исследований подтверждают закономерности естественного напряженно-деформированного состояния ряда других месторождений криолитозоны: Майского, Ново-Широкинского, Коневинского. Для объективной оценки полей естественных напряжений массивов горных пород месторождений, расположенных в криолитозоне, необходимо проводить их температурное районирование. Для повышения безопасности горных работ рекомендуется предупреждать растепление приконтурного массива горных пород. На основании результатов исследований разработано Заключение об удароопасности и газодинамических проявлениях на Ирокиндинском золоторудном месторождении (2017). Ключевые слова: геомеханические условия, первоначальные напряжения, натурные измерения, вечная мерзлота, температура горных пород, золоторудные жилы, гравитационные и тектонические компоненты природных напряжений, прогноз и предупреждение горных ударов. Для цитирования: Сосновская Е.Л., Авдеев А.Н. Оценка первоначального напряженного состояния массива горных пород в криолитозоне (на примере Ирокиндинского месторождения) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 208-215. Б01: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-208-215.
Evaluation of the initial stressed state of rocks in the cryolitzone (on the example of Irokindinsky mining)
E.L. Sosnovskaya1, A.N. Avdeev1
1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia
© Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев. 2020.
Abstract: In 2014—2017 at the Irokinda mine, due to the transition to new technological equipment, the thawing of permafrost rocks began, accompanied by manifestations of rock pressure. There was an urgent need to clarify the changed geotechnical conditions and evaluate the initial stresses of the rock mass. During the study, in situ stresses were measured for various cryogenic conditions of rocks: in permafrost, in transition zones of frozen rocks to thawed, thawed rocks. The measurements were made according the method of slotted relief based on the IM UB RAS by the author's version of the segmented slot. It is established that in the Irokinda ore deposit rocks there is a change in the stress field structure in the process of both natural and anthropogenic rock melting. In the process of rock thawing vertical stresses increase slightly, horizontal stresses increase by 40—60%. The tectonic component of the pre-mining stresses increases several times from -1,8 MPa to -22,9 MPa. The research results are confirmed by full-scale initial stresses measurements of a number of permafrost zone deposits: Mayskoye, Novo-Shirokinskoye, Konevinskoye. For an objective evaluation of the pre-mining stress-strain state of the deposits located in the permafrost zone, it is necessary to carry out their temperature zoning. To increase the safety of mining, it is recommended to use technological measures to prevent the thawing of the rock mass. Based on the research results, a Conclusion of rockburst hazard and gas-dynamic manifestations at the Irokinda gold ore deposit (2017) was written.
Key words: geotechnical conditions, initial pre-mining stresses, full-scale measurements, permafrost, rock temperature, gold veins, gravitational and tectonic stress components, forecast and prediction of rockburst.
For citation: Sosnovskaya E.L., Avdeev A.N. Evaluation of the initial stressed state of rocks in the cryolitzone (on the example of Irokindinsky mining). MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(3-1): 208-215. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-208-215.
Введение
Рудником «Ирокинда» отрабатываются наклонные маломощные и средней мощности жилы в основном системами с открытым очистным пространством. Для обеспечения безопасной и эффективной работы предприятия необходимо оперативно оценивать геомеханическую ситуацию на руднике. Авторами работы по геомеханическому сопровождению горных работ на руднике производились в течение 17 лет [1 — 5 и др.]. Из горной практики известно, что на устойчивость конструктивных элементов геотехнологий влияет комплекс горногеологических факторов, в том числе физико-механические свойства руды и вмещающих пород, природные первоначальные напряжения, криогенное состояние массива горных пород, тектоническая структура месторождения [6 — 12]. На Ирокиндинском месторож-
дении основным фактором, определяющим устойчивость горных выработок и целиков, является наличие многолет-немерзлых пород [3, 5]. Массив горных пород находится в вечной мерзлоте до глубины около 200 м, глубже породы под действием естественно-природных причин постепенно переходят в талые. Исследованиями [1 — 5] установлено, что в многолетнемерзлом массиве устойчивость горных пород выше, чем в талых, особенно в ослабленных трещиноватых породах. Обводненность пород, усиливающаяся в процессе оттаивании льда, ранее заполнявшего трещины, также существенно ослабляет общую устойчивость массива.
В 2014—2017 гг. на руднике в связи с переходом на новое технологическое оборудование (самоходный транспорт и др.) началось резкое растепление массива горных пород, даже на верхних, ранее мерзлых, горизонтах. Отме-
чено разрушение отдельных участков горных выработок, расположенных в обводненных, трещиноватых, талых породах [1, 2].
Возникла актуальная необходимость оценить изменившиеся геомеханические условия в условиях перехода мерзлых пород в талые и уточнить закономерности распределения естественного напряженного-деформированного состояния (НДС) на месторождении.
Методика
Первоначальные напряжения горных пород на руднике при различном криогенном состоянии массива горных пород измерялись в течение 2004—2017 гг.: в мерзлом массиве на жиле № 35, в переходных участках мерзлых пород в талые на жилах № 30, «Центрально-Тулуинской» и в обходных выработках, в растепленном массиве на жиле № 3 и «Серебряковской». Измерения природных напряжений проводились по методике института горного дела УрО РАН методом щелевой разгрузки [10, 11]. В соответствии с методикой для оценки первоначального напряженного поля на анализируемом участке массива (горизонте горных работ), сначала определяются напряжения на стенках двух взаимоперпендикулярных выработок. Обычно это квершлаги (орты) и штреки. Напряжения на стенках выработок определяются по деформациям специальных разгрузочных щелей, оформленных алмазной пилой как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Переход от напряжений на стенках выработок к напряжениям, действующим в массиве горных пород, осуществляется расчетным способом. Для расчетов необходимы физико-механические характеристики горных пород (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность). Эти характеристики принимались на основании лабораторных
испытаний. Определение показателей физико-механических свойств горных пород производилось в соответствии с требованиями стандартов Российской Федерации.
Результаты
Анализ результатов натурных измерений природных напряжений в массиве месторождения (табл. 1) позволяет отметить следующее.
В многолетнемерзлых породах ориентировка напряжения относительно простирания золоторудной жилы слабо влияет на его значение, поэтому отклонение значений горизонтальных напряжений друг от друга не превышает 10 %, а сами они превышают вертикальные напряжения не более 20 — 30 %.
В условиях фазового температурного перехода характер распределения первоначальных напряжений меняется. Наибольшие напряжения ориентированы вкрест простирания жилы, наименьшие — по простиранию жилы. Коэффициенты бокового распора здесь составят: продольный 0,9; поперечный — 1,7. Продольные напряжения незначительно меньше вертикальных, а поперечные на 70 % больше. В талых породах рост горизонтальных поперечных напряжений продолжается, и они увеличиваются до 220 % от вертикальных. Продольные напряжения также возрастают до значений 145 % от вертикальных.
На основании проведенных исследований, первоначальные напряжения Ирокиндинского рудного поля, с учетом криогенного состояния массива горных пород, предлагается аппроксимировать формулами:
• в массиве многолетнемерзлых пород
&в =-уН -1,8; апр =ап =-1,25УН
Таблица 1
Природные напряжения массива горных пород Ирокиндинского месторождения по результатам натурных измерений 2004—2017 гг.
Initial stresses of the Irokindinsly gold deposit massif with full-scale measurements at 2004—2017
Вид напряжения Глубина горных работ, м Результаты полевых измерений
Значение напряжения, МПа Продольный коэффициент бокового распора Snn/SR, Поперечный коэффициент бокового распора sn/sB Тектоническая составляющая напряжения, МПа
Мерзлые породы
Жила № 35 (2004 г.) [1]
sR* 200 -7,4±0,9 -1,8
Snp -9,3±1,4 1,3 1,2 -7,1
sn -8,6±1,8 -6,4
Участки перехода мерзлых пород в талые
Жила № 30, Центрально-Тулуинская (2007 г,)
250 -6,6±0,5 0
Snp -5,9±0,4 0,9 1,7 -3,1
sn -10,8±1,2 -8
Талые породы
Жила № 3, штольня 80, сопряжение НТС 81 и квершлага №1 (2017 г,)
410 -11,6±3,7 -0,2
Snp -17,5±5,1 1,5 2,4 -13,1
sn -27,3±8,8 -22,9
Жила Серебряковская, сопряжение пункта перегрузки 11 и НТС (2017 г,)
-6,7±2,3 0,2
Snp 250 -9,4±3,0 1,4 2 -6,7
sn -13,5±3,0 -10,8
Примечание. se — вертикальные напряжения; sпр - горизонтальные напряжения, ориентированные вдоль рудного тела (продольные); sп - горизонтальные напряжения, ориентированные вкрест простирания рудного тела (поперечные);
• в переходной зоне мерзлых пород в талые
ств = -уН + 0,3; стпр = -0,9уН;
стп =-1.6 уН (1)
• в талых породах
= -уН; апр =-1,45уН; ап =-2,2уН.
где д — объемный вес горных пород, МН/м3, Н — глубина горных работ, м.
Следует отметить, что авторы проводили измерения естественного
напряженного состояния на других жильных золоторудных месторождениях, расположенных в криолитозоне: Майском, Ново-Широкинском, Коне-винском, Кедровском, Каральвеемском [13]. По результатам этих наблюдений было обнаружено, что вертикальные напряжения на всех изучаемых месторождениях соответствуют теоретическим значениям от веса налегающих пород. Отношение продольных напряжений к вертикальным при пониже-
нии и растеплении горных пород возрастает от 0,7 уИ (Ново-Широкинское месторождение, мерзлые породы) до 1,8 уИ (Каральвеемское месторождение, талые породы). Поперечные напряжения изменяются в зависимости от криогенных условий от 0,6 уИ (Кедровское месторождение, мерзлые породы) до 1,9 уИ (Кедровское месторождение, талые породы). Общий рост горизонтальных напряжений с повышением температуры горных пород и превалирование поперечных составляющих в общей структуре полей напряжений остается постоянным для большинства месторождений криолитозоны. Результаты измерений на Ирокиндинском месторождении подтверждают общий характер изменения поля первоначальных напряжений при фазовом температурном переходе. Значительный разброс коэффициентов бокового распора связан, очевидно, с влиянием рельефа поверхности (на верхних горизонтах) и особенностей тектонических структур самих месторождений.
Известно, что существенным фактором, влияющим на проявления горного давления в динамических формах, является действие в массиве горных пород значительных тектонических напряжений [9, 11, 14 и др.]. Тектоническую компоненту природных напряжений можно получить исключением гравитационной составляющей из фактически измеренного напряжения:
^ = Ств - ун;
СТТ =стф -_-_ун, (2)
1 - _
где аВФ, аГФ — фактические первоначальные соответственно вертикальных и горизонтальных напряжений, МПа; аВГР, аГГР — гравитационные составляющие соответственно вертикальных и горизонтальных первоначальных
напряжений, МПа; аВТ аГТ — тектонические составляющие соответственно вертикальных и горизонтальных первоначальных напряжений, МПа; | — коэффициент Пуассона.
Произведем анализ тектонической составляющей природных (первоначальных) напряжений при изменении температурного режима горных пород (см. табл. 1).
Вертикальные напряжения характеризуются действиями только гравитационных сил, их тектоническая составляющая очень мала и не превышает 1,8 МПа. Тектоническая компонента горизонтальных напряжений возрастает при растеплении приконтурного массива от -1,8... -7,1 МПа в многолетнемерзлом массиве до -10,8...-22,9 МПа в полностью талых породах. Влияние тектонической нару-шенности на естественное НДС при его растеплении возрастает, достигая максимума в полностью талом массиве. Максимальные напряжения отмечаются в талых породах вкрест простирания рудных тел.
Выводы
Естественное НДС массива горных пород на Ирокиндинском месторождении зависит от криологического режима шахты. В многолетнемерзлых породах напряжения близки к гидростатической гипотезе А. Гейма. При техногенном или естественно-природном растеплении массива усиливается влияние тектонической компоненты напряжений. Горизонтальные напряжения здесь превышают вертикальные: в переходной зоне мерзлых пород в талые на 40 %, в талых породах на 60 %.
Таким образом, можно заключить, что при оценке геомеханических условий месторождений, расположенных в криолитозоне, большое значение имеет температурное районирование массива горных пород.
Наиболее благоприятные геомеханические условия будут наблюдаться в многолетнемерзлых породах. В мерзлых породах действуют близкие к гидростатическим первоначальные напряжения. Вследствие цементирующего фактора льда, заполняющего трещины, горные выработки и целики наиболее устойчивы.
Наиболее неблагоприятными геомеханическими условиями будут характеризоваться переходные участки горных пород, по естественно-природным или техногенным причинам подвергаемые периодическому растеплению и замерзанию. В переходных зонах мерзлых пород в талые действуют повышенные гравитационно-тектонические напряжения. Постоянное изменение фазового состояния воды в трещинах и порах горных пород усиливает процессы разрушение прикон-турного массива горных пород.
Для повышения устойчивости горных выработок и целиков месторождений, расположенных в криолито-зоне, можно рекомендовать комплекс мероприятий по предотвращению растепления горных пород: теплоизоляция стенок выработок, использование электрического транспорта, регулирование температуры воздуха, подаваемого в горные выработки, и др.
Установленные зависимости распределения природных напряжений использованы в качестве граничных условий при моделировании поведения горного давления в конструктивных элементах основных систем разработки Ирокиндинского месторождения. Для практического применения на руднике по результатам исследований разработано Заключение об удароопасно-сти и газодинамических проявлениях на Ирокиндинском золоторудном месторождении (2017 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сосновская Е.Л. Оценка геомеханических условий отработки пологих и наклонных жил Ирокиндинского золоторудного месторождения в криолитозоне / Е.Л. Сосновская, Л.И. Сосновский, А.Н.Авдеев // Вестник ИрГТУ, 2015, № 10 - С.99-107.
2. Сосновская Е.Л. Обоснование параметров подземной геотехнологии разработки наклонных жил малой мощности // Вестник ИрГТУ, № 5 — 2015. — С.60—68.
3. Павлов А.М. Определение параметров устойчивых целиков и обнажений камер при разработке наклонных жил в криогенных зонах в условиях Ирокиндинского золоторудного месторождения / А.М.Павлов, Ю.М.Семенов, Л.И. Сосновский // Горный информационно-аналитический бюллетень — М.: «Горная книга». — 2014. — № 10. — С. 21-27.
4. Семенов Ю.М.Температурный режим горного массива в криолитозоне на руднике «Ирокинда» / Ю.М. Семенов // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. трудов.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.- С.228—231.
5. Павлов А.М., Семенов Ю.М., Сосновский Л.И. Управление горным давлением в многолетнемерзлых массивах при подземной разработке наклонных жил малой мощности Ирокиндинского золоторудного месторождения // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: тр. науч. конф. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2008. С. 477-481.
6. Walter Wittke. Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model. (AJRM). WiLheLm Ernst & Sohn, Berlin, 2014, 865 p.
7. Baotang Shen, Ove Stephansson, Mikael Rinne. Modelling Rock Fracturing Processes. Springer, Dordrecht, 2014, 173 p.
8. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007—2014. Under the editorship of R. ULusay, Springer International Publishing Switzerland, Cham, 2015, 293 p.
9. Chunlai Wang. Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst. Springer, Singapore, 2018, 188 p.
10. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. - М.: Недра, 1994. 208 с.
11. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. — Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 335с.
12. Павлов А.М. Исследование криолитозоны и ее влияния на геомеханическое состояние массива горных пород при подземной разработке золоторудных месторождений Бурятии //Известия Сибирского отделения РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2012.№ 1 (40). — С. 53—61.
13. Сосновская Е.Л. Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока / Е.Л.Сосновская, В.Б.Ясыченко //Вестник ИрГТУ, № 11 — 2011. — С.74—78.
14. Технология разработки золоторудных месторождений / Под редакцией Нега-нова В.П. — М.: Недра, 1995. — 336 с.
REFERENCES
1. Sosnovskaia E.L., Sosnovskii L.I., Avdeev A.N. Study of the geomechanical conditions of flat and inclined thin ore veins in permafrost gold mine irokindinskoye. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2015; 10: 99-107. [In Russ]
2. Sosnovskaia E.L. Rationale for the parameters of underground geotechnology of low thickness inclined lodes development. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2015; 5: 60-68. [In Russ]
3. Pavlov A.M., Semenov lu. M., Sosnovskii L.I. Evaluation of parameters of stable pillars and room roofs in underlay lode mining in cryogenic zones in terms of the Irokindinsly gold deposit. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2014; 10: 21-27. [In Russ]
4. Semenov Yu.M. Temperaturnyi rezhim gornogo massiva v kriolitozone na rudnike «Irokinda» [Temperature conditions of permafrost rock mass at "Irokinda" mine]. Problemy osvoeniya mineral'noi bazy Vostochnoi Sibiri [Development of Eastern Siberia's mineral resources]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2009, рр. 228-231. [In Russ].
5. Pavlov A.M., Semenov Iu. M., Sosnovskii L.I. Upravlenie gornym davleniem v mnogoletnemerzlyh massivah pri podzemnoj razrabotke naklonnyh zhil maloj moshchnosti Irokindinskogo zolotorudnogo mestorozhdeniya [Rock pressure control in permafrost massifs under low thickness inclined lodes underground mining at Irokindinskii gold field]. In: Geodynamics and Stress state of the Earth's interior: scientific conference proceedings. Novosibirks: IM SB RAS Publishing; 2008. pp. 477-481. [In Russ]
6. Walter Wittke Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM). Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 2014, 865 p.
7. Baotang Shen, Ove Stephansson, Mikael Rinne. Modelling Rock Fracturing Processes. Springer, Dordrecht, 2014, 173 p.
8. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007—2014. Under the editorship of R. Ulusay, Springer International Publishing Switzerland, Cham, 2015, 293 p.
9. Chunlai Wang. Evolution, Monitoring and Predicting Models of Rockburst. Springer, Singapore, 2018, 188 p.
10. Vlokh N.P. Upravlenie gornym davleniem na podzemnyh rudnikah [Rock pressure control at underground mines]. Moscow: Nedra Publishing; 1994. 208 p. [In Russ]
11. Zubkov A.V. Geomekhanika i geotekhnologiya [Geomechanics and Geotechnology]. Ekaterinburg: Uro RAS, 2001. 335 p. [In Russ].
12. Pavlov, A.M. Study of the cryolithic zone and its influence on the geomechanical state of the rock mass at underground mining of gold deposits in Buryatia. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya RAEN. Geologiya, poiski i razvedka rudnyh mestorozhdenij. 2011. no 1(40). pp. 53—61. [In Russ]
13. Sosnovskaia E.L., lasychenko V.B. Justification of the matrix of natural stresses of vein deposit rock massifs in Siberia and Far East. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011; 11: 74-78. [In Russ]
14. Neganov V.P., Kovalenko V.I., Zaitsev B.M., Sosnowski L.I. Tekhnologiya razrabotki zolotorudnyh mestorozhdenij [Technology of the gold fields mining]. Under the editorship of V.P. Neganov. Moscow: Nedra Publishing. 336 p. (1995). [In Russ]
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сосновская Елена Леонидовна1 — канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник,
Авдеев Аркадий Николаевич1 — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), 620075 г. Екатеринбург, ГСП-219, Мамина-Сибиряка 58.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sosnovskaya E.L.1, Cand. Sci. (Geol. Mineral.), Senior Research Worker, Avdeev AN.1, Cand. Sci. (Eng.), Senior Research Worker, e-mail: [email protected], 1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia.
Получена редакцией 21.11.2019; получена после рецензии 07.02.2020; принята к печати 20.03.2020. Received by the editors 21.11.2019; received after the review 07.02.2020; accepted for printing 20.03.2020.
