CC BY
13
УДК 622.831.3:553.411
Сосновская Елена Леонидовна
кандидат геолого-минералогических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории геодинамики и горного давления,
Институт горного дела УрО РАН,
620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58
Авдеев Аркадий Николаевич
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории геодинамики и горного давления,
Институт горного дела УрО РАН
e-mail: avd 8691@yandex.ru
Васильев Денис Сергеевич
горный инженер,
научно-исследовательская часть, Иркутский национально -исследовательский технический университет, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
ОЦЕНКА ПРИРОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД РУДНЫХ ТЕЛ ЦЕНТРАЛЬНОЕ И РАДУЖНОЕ КОНЕВИНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ_
Аннотация:
Приведены результаты геомеханических исследований Коневинского золоторудного месторождения, расположенного в юго-западной части Хужирского рудного поля в пределах Сайлагского гранодиорито-вого массива. Основные запасы полезных испопаемых - маломощные жилы крутого падения. В 2011 -2014 гг. проведены работы по изучению геомеханических условий и определены природные напряжения на нижних горизонтах. Установлены основные геомеханические факторы на исследуемых глубинах, влияющие на закономерности распределения природных напряжений: неоднородное криогенное состояние массива горных пород, наличие локальных участков естественно-сухих и обводненных горных пород, сложная тектоническая структура месторождения, гористый рельеф земной поверхности. Проведены лабораторные испытания физико-механических свойств горных пород и руд. Определены следующие показатели: предел прочности на сжатие, предел прочности на растяжение, сцепление, угол внутреннего трения, предел прочности на срез, крепость по М.М. Протодьяконову, средняя плотность, коэффициент Пуассона, модуль Юнга. Измерены величины природных напряжений на участках «Коневинский» и «Радужный» (рудные тела Центральное и Радужное) методом щелевой разгрузки на основе методики ИГД УрО РАН. Установлены соотношения между вертикальными, горизонтальными продольными и горизонтальными поперечными напряжениями. Полученные закономерности распределения природных напряжений использованы в качестве граничных условий для определения параметров подземной геотехнологии на руднике при разработке «Временных указаний по определению параметров устойчивых целиков и обнажений горных выработок и очистных камер участка «Коневинский» и участка «Радужный» на месторождении Коневинское».
Ключевые слова: природные напряжения, массив горных пород, крутопадающие жилы, физико-механические свойства горных пород, золоторудные месторождения, многолетняя мерзлота
DOI: 10.25635/2313-1586.2019.04.074
Sosnovskaya Elena L.
Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Geodynamics and Mining Pressure, Institute of Mining, Ural Branch of RAS, 620075, Ekaterinburg, 58 Mamina-Sibiryaka Str.
Avdeyev Arkady N.
Candidate of Engineering Sciences,
Senior Researcher of the Laboratory of Geodynamics
and Mining Pressure,
Institute of Mining, Ural Branch of RAS,
e-mail: avd 8691@yandex.ru
Vasilyev Denis S.
Mining Engineer, Research Department
of Irkutsk National Research Technical University Irkutsk, 83 Lermontov str.
EVALUATION OF NATURAL STRESS OF ROCK MASS OF TSENTRALNOE AND RADUZHNOE OREBODIES OF KONEVINSKOYE GOLD DEPOSIT
Abstract:
The paper presents the results of geomechanical studies of the Konevinskoye gold ore deposit located in the southwestern part of the Khuzhirskoye ore field within the Sail-aga granodioritic rock mass. The main reserves of mineral resources are narrow steeply dipping veins. In 2011-2014 the works were carried out to study the geome-chanical conditions and to determine the natural stresses on the lower horizons. The following basic geomechanical factors on the investigated depths influencing the regularities of distribution of natural stresses have been established: heterogeneous cryogenic state of the rock mass, presence of local areas of natural-dry and water-flooded rocks, complex tectonic structure of the deposit, mountainous terrain of the earth's surface. The laboratory tests of physical and mechanical properties of rocks and ores have been carried out. The following parameters have been identified: compressive strength, tensile strength, adhesion strength, angle of internal friction, shear strength, Protodyaconov's strength index, average density, Poisson's coefficient, Young's module. The natural stress values have been measured at the Konevinsky and Raduzhny sections (Tsentralnoye and Raduzhnoye ore-bodies) using the method of slotted unloading based on the technique of the Institute of Mining, Ural Branch of RAS. The relations between vertical, horizontal longitudinal and horizontal transverse stresses have been established. The obtained regularities of natural stress distribution were used as boundary conditions for determining the parameters of underground geotechnologies at the mine during the development of "Temporary guidelines for determining the parameters of stable pillars and outcrops of mine workings and stopes of Konevinsky and Raduzhny sections at Konevinskoye deposit".
Key words: natural stresses, rock mass, steeply dipping veins, physical and mechanical properties of rocks, gold deposits, large depths, permafrost
Введение
Коневинское месторождение ООО «Хужир Энтерпрайз» расположено в юго-западной части Хужирского рудного поля в пределах Сайлагского гранодиоритового массива. Разрабатываются крутопадающие жилы малой мощности.
Месторождение имеет сложное геологическое строение и тектоническую нару-шенность, крайне неравномерное распределение запасов в недрах, ограниченный размер очистного пространства, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. На устойчивость горных пород влияют физико-механические свойства руды и вмещающих пород, изменчивость формы рельефа кровли, угол падения жил, тектоническая нарушенность, наличие многолетней мерзлоты и др. Все это осложняет отработку месторождения. Авторы проводят на месторождении Коневинское исследования геомеханического состояния с 2011 г. [1 - 6].
По результатам исследований в 2011 г. были разработаны «Временные указания по определению параметров устойчивых целиков и обнажений горных выработок и очистных камер на месторождении Коневинское». В «Указаниях...» были рассмотрены вопросы определения параметров устойчивых целиков и обнажений камер системами разработки с магазинированием руды и комбинированными системами с креплением.
В 2014 г. горные работы на руднике достигли глубин 250 - 300 м. Вовлечены в отработку участки «Коневинский» и «Радужный». На этих участках отмечено изменение криогенного состояния массива горных пород. Мерзлые породы с понижением глубины горных работ в шахте оттаивают. Отмечены участки перехода мерзлых пород в талые. На руднике используются новые технологии выемки запасов с пониженной мощностью очистного пространства (1 - 0,5 м). Возникла актуальная необходимость уточнить горногеологические, горно-технические и геомеханические условия выемки запасов в переходных зонах мерзлых пород в талые.
Одним из основных геомеханических факторов, влияющих на устойчивость горных выработок, обнажений камер и целиков является первоначальное (природное) поле напряжений.
Оценка природных напряжений на Коневинском месторождении осуществлялась натурными измерениями. Измерение напряжений горных пород производилось щелевой разгрузкой на основе методики ИГД УрО РАН [7 - 8] в авторском варианте.
Глубина горных работ на участках замеров составила, соответственно, 250 -300 и 180 - 200 м. Всего измерены напряжения на участке Коневинский по 29 щелям (рис. 1), на участке «Радужный» - по 13 щелям (рис. 2).
Оценка действующего напряжения в элементе массива производилась путем изменения его напряженного состояния проходкой щелей и измерения при этом соответствующих реакций в виде деформаций по распорным реперам, установленным перпендикулярно щелям [1].
Напряжения, действующие на стенках выработок, вычислялись по формуле
где Цав - деформация участка АВ после образования щели, см; Е - модуль упругости массива горных пород, МПа; Я - половина длины щели, см; I - расстояние между цен-
фициентов концентрации напряжений на участках ОА и ОВ в направлениях, соответственно, перпендикулярно и параллельно щели; ц - коэффициент Пуассона; Кп - поправочный коэффициент, зависящий от конкретных горно-геологических условий участка
Исследования и результаты
(1)
трами отверстий для установки реперов, см; ^(±)ср, ^ 11(11) ср - средние значения коэф
месторождения, геометрических размеров щелей и пространственного их взаимного положения.
Модуль упругости массива горных пород и коэффициент Пуассона наряду с другими физико-механическими характеристиками определялись авторами на основании испытаний физико-механических свойств 10-ти образцов горных пород, отобранных на руднике, в том числе с участка «Коневинский» (рудное тело Центральное) - 7, с участка «Радужный» - 3. Испытания проводились в лаборатории геомеханики и физики горных пород ИРНИТУ.
Следует уточнить, что породы и руды в массиве горных пород находятся в различных криогенных состояниях. Известно, что криогенное состояние пород оказывает существенное влияние на закономерности распределения поля природных напряжений и прочностные характеристики массивов горных пород [10 - 11].
Рис. 1 - Станции измерения напряжений на участке «Коневинский»: 1-15 - номера измерительных щелей
Рис. 2 - Станции измерения напряжений на участке «Радужный»: 1-13 - номера измерительных щелей
Верхние горизонты Коневинского месторождения находятся полностью в зоне многолетней мерзлоты. В зоне многолетнемерзлых пород для расчетов природных напряжений использованы физико-механические свойства пород в естественно-сухом состоянии (табл. 1). Ниже глубин 200 м появляются переходные зоны мерзлых пород в талые. Визуальный анализ горных пород в отрабатываемых переходных зонах показал, что вода в переходных зонах на исследуемых горизонтах находится в незначительных количествах в виде льда, поэтому полученные физико-механические характеристики мерзлых пород действительны и для переходных зон. С понижением горных работ ниже 400 м зона талых пород будет увеличиваться, вода в них перейдет в другое агрегатное состояние, возможно, появятся отдельные участки водонасыщенных горных пород. Поэтому в качестве исходных для расчетов параметров подземной геотехнологии на глубоких горизонтах дополнительно определены физико-механические свойства водонасыщенных горных пород (табл. 2).
Установлено, что породы и руды на участке «Коневинский» (рудное тело Центральное) обладают средней плотностью 2,74 т/м3, на участке «Радужный» - 2,69 т/м3. Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову на обоих участках составляет 8 - 10. Предел прочности пород на сжатие в рудном теле Центральное равен для пород в естественно-влажном состоянии 89,3 МПа, в водонасыщенном состоянии - 72,5 МПа, на растяжение, соответственно, - 17,3 и 12,5 МПа. Таким образом, в водонасыщенном состоянии прочностные характеристики пород снижаются примерно на 20 %. Для рудного тела Радужное эти характеристики составляют, соответственно, на сжатие - 95,0 и 69,3 МПа, на растяжение - 16,3 и 12,2 МПа. Угол внутреннего трения пород для обоих рудных тел равен 30 - 31°. Сцепление для пород в естественно-влажном состоянии на обоих участках 25 - 26 МПа, в водонасыщенном состоянии 19 - 20 МПа. Коэффициент Пуассона равен 0,3 - 0,4. Модуль Юнга для рудных тел: Центральное - 37,6 ГПа, Радужное -36,8 ГПа.
Таблица 1
Физико-механические свойства горных пород на участках «Радужный» и «Коневинский» в естественно-сухом состоянии
№ п/п Наименование породы Предел прочности при растяжении ор , МПа Предел прочности при сжатии Осж, МПа Сцепление, МПа Угол внутреннего трения Ф, град Предел прочности на срез, МПа Крепость по М.М. Прото-дьяконову Средняя плотность, т/м3 Коэффициент Пуассона Модуль Юнга, ГПа
Рудное тело Центральное
1 Березит 23,33 84,14 26,74 25,44 32,23 8 2,76 0,4 37,74
2 Березит 10,42 46,27 13,88 27,87 17,5 5 2,77 0,41 35,74
3 Березит 12,07 100,43 24,78 34,43 37,11 9 2,79 0,39 41,52
4 Гранодиорит 11,72 95,36 23,71 34,22 35,25 9 2,71 0,4 31,82
5 Гранодиорит 24,68 95,57 29,8 26,28 36,43 9 2,71 0,42 30,64
6 Гранодиорит 22,11 107,01 31,32 28,84 40,28 10 2,64 0,38 41,71
7 Гранодиорит 17,01 96,21 26,87 30,56 35,96 9 2,82 0,41 44,02
Среднее по рудному телу 17,33 89,28 25,30 29,66 33,54 8 2,74 0,4 37,6
Рудное тело Радужное
8 Березитизированный гранодиорит 15,98 90,48 25,27 30,57 33,82 9 2,7 0,44 17,36
9 Гранодиорит 14,66 105,19 27,26 33,01 39 9 2,68 0,37 37,72
10 Гранодиорит 18,15 89,37 26,03 29,04 33,61 8 2,69 0,31 55,46
Среднее по рудному телу 16,26 95,01 26,18 30,87 35,48 9 2,69 0,37 36,85
Таблица 2
Физико-механические свойства горных пород на участках «Радужный» и «Коневинский» в водонасыщенном состоянии
№ п/п Наименование пород Предел прочности при рас-тяже-нии Ор, МПа Предел прочности при сжатии Осж, МПа Сцепление т, МПа Угол внутреннего трения Ф,град Коэффициент хрупкости
Рудное тело Центральное
1 Березит 16,30 78,15 22,94 28,74 4,8
2 Березит 8,98 45,64 13,17 29,39 5,1
3 Березит 12,14 90,26 23,12 33,36 7,4
4 Гранодиорит 12,31 70,84 19,68 30,74 5,8
5 Гранодиорит 11,60 92,15 23,09 33,99 7,9
6 Гранодиорит 13,37 81,08 22,17 31,30 6,1
7 Гранодиорит 12,54 49,34 15,32 26,46 3,9
Среднее по рудному телу 12,46 72,49 19,93 30,57 5,86
Рудное тело Радужное
8 Березитизированный гранодиорит 11,11 41,71 13,11 25,91 3,8
9 Гранодиорит 12,74 84,69 22,49 32,25 6,6
10 Гранодиорит 12,76 81,39 21,90 31,82 6,4
Среднее по рудному телу 12,20 69,26 19,17 29,99 5,60
Остальные исходные данные были приняты: I = 12,68 см (с учетом диаметра шпуров); Я = 4,5 см, £±(±)ср =0,15, кт ср = 0,01, ц = 0,26 [2].
Расчеты напряжений на стенках выработки производились по формуле (1). Исходные данные для расчетов: на участке «Коневинский» £=0,376 105 МПа, на участке «Радужный» п = 3,14, 1 = 12,68 см (с учетом диаметра шпуров), Я = 4,5 см, £д±)ср =0,15,
к¡(И)ср = 0,01, ц = 0,3. Кп для условий участка «Коневинский» составил 0,0012, участка
«Радужный» - 0,001.
Подставив исходные данные в (1), получим:
- для условий участка «Коневинский» с^ = —0,332 х идВ
- для условий участка «Радужный» С^ = —0,253 х идв , где идв - деформация участка ДВ после образования щели, микрон.
Результаты расчетов напряжений на стенках выработок приведены в табл. 3. Чтобы перейти от напряжений на стенках выработок к напряжениям, действующим в массиве горных пород, вычисляем природные напряжения в массиве горных пород [3, 4]:
„ — сп • Кп .
°в У ;
Кв(пр)
^п1 „Л ТУ
с — С • К
в пр пр
С - гг.
в Кв(п) ' (2)
_ г I пр г I 1
Спр = Спр йдСвср Свср Сп р
вср Свср Спр ^
Сп = Сп — Д(Свср — Свср — Спр ,
где Об, Опр, Оп - вертикальные, продольные и поперечные первоначальные напряжения, МПа; сгп, сгпр - горизонтальные напряжения в /-той точке, соответственно действующие
л /П-Г прг пг
вкрест простирания и по простиранию рудного тела, МПа; с , С - вертикальные напряжения в /-той точке, соответственно действующие по простиранию и вкрест простирания рудного тела, МПа; Кп, Кв(пр), Кпр, Кв(п) - коэффициенты концентрации
напряжений; оБср - среднее значение вертикальных напряжений массива горных пород, МПа; опвср - среднее значение вертикальных напряжений, измеренных на стенке квершлага, МПа; олрвср - среднее значение вертикальных напряжений, измеренных на стенке штрека, МПа.
Значения Кв(пр) и КБ(п) при выбранном варианте щелевой разгрузки равны 1,91. Значения Кп и Кпр составляют -0,87. В целом величины напряжений составили: на участке «Коневинский» при глубине разработки 250 - 300 м Ов =-8,1±0,7 МПа; Опр =-11,9±2,0 МПа; Оп =-12,8±1,8 МПа; на участке «Радужный» при глубине разработки 200 м Ов=-5,4±0,6 МПа; Опр =-6,6±1,9 МПа; Оп =-4,3±0,5 МПа (табл. 4).
Анализ результатов измерений позволяет отметить следующее. Величины напряжений аппроксимируются формулами:
■ на участке «Коневинский»
Об =-уН, Опр =- 1,46уИ, Оп =- 1,22уИ;
■ на участке «Радужный»
Об =-уН, Опр =- 1,22уН, Оп =-0,8уН,
где у - плотность пород и руд, МН/м3; Н - глубина горных работ, м.
Таким образом, на исследуемых участках, на нижних горизонтах рудника отношения продольного и поперечного напряжения к вертикальному Кпр и Кп изменяются от
1,22 до 1,46 и от 0,8 до 1,22, соответственно. В среднем эти коэффициенты составляют Кпр - 1,3 и Кп - 1,0. Поэтому величины напряжений на нижних горизонтах Коневинского месторождения можно аппроксимировать формулами
Об =-уН, Опр = Кпр Об = -1,3 уН, Оп =-1,0уН,
где у - плотность пород и руд, мН/м3; Н - глубина горных работ, м.
Таблица 3
Расчет напряжений на стенках выработок
№ щели Вертикальные напряжения Продольные напряжения Поперечные напряжения
и, мк Л ,МПа и, мк а пб, МПа и, мк апр , МПа и, мк ап , МПа
Участок замера «Коневинский» (рудное тело Центральное)
1 -42 -13,9
2 -80 -26,6
3 -40 -13,3
4 -10 -3,3
5 -4 -1,3
6 -5 -1,7
7 0 0
8 -27 -9
9 -23 -7,6
10 -15 -5
11 -50 -16,6
12 -18 -6
13 -10 -3,3
14 -12 -4
15 -34 -11,3
16 0 0 -29,2 -9,7
17 -10 -3,3
18 -20 -6,6
19 -28 -9,3
20 -16 -5,3
21 -30 -10
22 0 0
23 -12 -4
24 -75 -24,9
25 -48 -15,9
26 -45 -14,9
27 -45 -14,9
28 12 4
29 -40 -13,3 -20 -6,6
Среднее значение -8,5 -6,6 -9,9 -8,6
Участок замера «Радужный» (рудное тело Радужное)
1 -10 -2,5
2 -13 -3,3
3 -30 -7,6
4 -20 -5,1
5 -10 -2,5
6 -8 -2
7 -10 -2,5
8 -35 -8,9
9 -20 -5,1
10 -23 -5,8
11 -30 -7,6
12 -25 -6,3
13 -50 -12,7
Среднее значение -7,6 -5,1 -6,5 -2,6
Таблица 4
Результаты измерений природных напряжений
Ориентировка напряжения относительно рудного тела Глубина разработки Результаты натурных измерений напряжений горных массивов
Число единичных определений напряжения Напряжение, МПа Отношение продольного напряжения к вертикальному Опр/ав (коэффициент Кпр) Отношение поперечного напряжения к вертикальному ап/ав (коэффициент Кп)
Рудное тело Радужное, полевой штрек 2-1 и кве ршлаг на БК-2 горизонта штольни № 2
Вертикальное 180- 21 -5,4±0,6
Продольное 200 12 -6,6±1,9 1,22 0,80
Поперечное 12 -4,3±0,5
Рудное тело Центральное, гор. 2165 м и гор. 2215 м, район восстающего 8-3-1
Вертикальное 250- 120 -8,1±0,7
Продольное 300 64 -11,9±2,0 1,46 1,22
Поперечное 64 -12,8+1,8
Заключение
Полученные закономерности распределения природных напряжений использованы в качестве граничных условий для определения параметров подземной геотехнологии на руднике при разработке Временных указаний по определению параметров устойчивых целиков и обнажений горных выработок и очистных камер (гор. 2215 - 2145 м) участков «Коневинский» и «Радужный» на месторождении Коневинское.
Литература
1. Сосновская Е.Л. Исследование природных напряжений массива горных пород на золоторудном Коневинском месторождении / Л.И. Сосновский, Е.Л. Сосновская, А.С. Сафьянов / Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. - № 11. - Изд-во ИрГТУ, 2013. - С. 79 - 88.
2. Сосновская Е.Л. Геомеханические условия массива горных пород Коневин-ского золоторудного месторожения / Е.Л. Сосновская, А.С. Сафьянов // Вестник ИрГТУ.
- 2014. - № 11. - С. 98 - 102.
3. Сосновская Е.Л. Исследование техногенных напряжений на контуре очистных камер при выемке маломощных рудных тел Коневинского месторожения / Е.Л. Сосновская, А.С. Сафьянов // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. - № 16.
- Изд-во: ИрГТУ, 2016. - С. 38 - 47.
4. Сосновская Е.Л. Прогноз потенциальной удароопасности крутопадающих жильных золоторудных месторождений / Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2016. - № 2. - С. 74 - 85.
5. Васильев Д.С. Влияние геологической среды на качество добываемой руды Коневинского месторождения / Д.С. Васильев, А.М. Павлов / Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: Сборник статей. - 2017. - С. 42 - 48.
6. Васильев Д.С. Анализ устойчивости обнажений пород Коневинского месторождения / Д.С. Васильев, А.М. Павлов // Молодежный вестник ИрГТУ. - 2017. -№ 4 (28). - С. 5.
7. Влох В.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох.
- М.: Недра, 1994. -208 с.
8. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 335 с.
9. Кузькин В.И. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при их разведке / В.И. Кузькин, Л.Д. Ярг, М.В. Кочетков. - М., 2001. - 153 с.
10. Павлов Д.М. Исследования криолитозоны и ее влияния на геомеханическое состояние массива горных пород при подземной разработке золоторудных месторождений Бурятии // Известия СО секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. - 2012. - Выпуск №1 (40). - С 53 - 60.
11. Сосновская Е.Л. Обоснование матрицы природных напряжений массива горных пород жильных месторождений Сибири и Дальнего Востока / Е.Л. Сосновская, В.Б. Ясыченко // Вестник ИрГТУ. - 2011. - № 11.- С. 74 - 78.
