CC BY
41
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
^ © В.Н. Калмыков, М.В. РыльнИйова, Э.Ю. Мещеряков, А.Ф. Илимбетов, 2001
ч\
УДК 622.272
В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова, Э.Ю. Мещеряков, А.Ф. Илимбетов
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОЧИСТНЫХ ПРОСТРАНСТВ И ВЫБОР СПОСОБА ЛОКАЛИЗАЦИИ ПУСТОТ НА ОКТЯБРЬСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ
О
ктябрьское месторождение медно-колчеданных руд, расположенное в центральной части Буриба-евского рудного района (республика Башкортостан), представлено 64 рассредоточенными локальными рудными телами линзообразной формы, этажно расположенными друг над другом и залегающими согласно с вмещающими породами. Средняя мощность рудных тел составляет 20 -50 м, длина по простиранию - 30-140 м, угол падения 10 -30о, глубина залегания 60430 м. Руды и вмещающие породы, представленные на контакте серицит-хлорит-кварцитами, туфобрекчиями и порфиритами, устойчивые, средний коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову 10-12, умеренно трещиноваты. Площадь рудного поля характеризуется простыми гидрогеологическими условиями, фактический водоприток в шахту составляет в среднем 60 м3/час.
На протяжении 40-летнего периода эксплуатации рудные залежи месторождения разрабатываются подземным способом этажно-камерной системой разработки с твердеющей и гидравлической закладкой выработанного пространства при ширине камер 10-15 м, длина и высота камер ограничиваются размерами рудных тел. При переходе к рыночной экономике, в связи с резким удорожанием стоимости энергоносителей и за-
кладочных материалов, применение систем разработки с закладкой для предприятия с невысокой производственной мощностью - 100-150 тыс. т руды в год стало нерентабельно.
Анализ современного состояния горных работ показал, что на руднике накоплено большое количество пустот -около 135 тыс. м3, требующих погашения или надежной изоляции. Обобщением данных практики горных работ за 1978-1991 гг. установлено, что большая часть отработанных камер по причинам растянутости во времени процесса отгрузки рудной массы и отставания закладочных работ, сохраняла устойчивость контура в течение длительного срока стояния.
В таблице приведено фиксируемое время стояния нескольких камер незаложенными. Если учесть, что закладочные работы (как и очистные) растянуты во времени, то фактическое время стояния камер будет равно, как минимум, сумме учтенного времени и половине срока производства закладочных работ в камере. Тогда средний фактический срок стояния 45-метровых камер составит 15 месяцев, 15-метровых - 20. При этом высота свода обрушения 15-метровых камер составляет 3,5-9,0 м, 45-метровых - 10-24 м.
Зависимость высоты свода обрушения от продолжительности стояния камер не вызывает сомнения. На рис. 1 представлены графики логарифмической аппроксимации высоты свода обрушения от полной продолжительности стояния
камер ^ 1/2 1^оч + Ът + 1/2tзак, где tоч, соот-
ветственно продолжительность: очистных, закладочных работ и стояния камер после окончания очистных и до начала закладочных работ.
В настоящее время визуальные и инструментальные наблюдения ведутся на руднике за состоянием выработанного пространства МПЦ - 1, единственным участком, расположенным под охраняемым объектом - рекой Макан. Ответственность участка предопределяет необходимость регулярных наблюдений за развитием зоны обрушения, благодаря чему получена возможность анализа формоизменения выработанного пространства во времени.
Межпанельный целик № 1 (МПЦ - 1) имеет следующие проектные параметры: ширина 15 м, длина 65 м и высота в пределах рудного тела 35 м. В процессе отработки МПЦ - 1 происходил частичный выпуск гидравлической закладки из камер 9/1 и 8/1, также наблюдалось отслоение пачки пород неустойчивой кровли, представленной метасоматитами. К окончанию очистных ра-
АКЛАДКИ КАМЕР
Продолжитель- Максимальная высота свода об-
ность закладоч рушения (м) при пролете кровли
ных работ, мес. 15 м 45 м*
(ное тело
12 13,0
12 10,0
13 17,0
4 -
(ное тело
3 3,5
12 4,0
3 4,0
36 24,0
33 17,0
4 9,0
рУдныисцелиЧаЬисимость высоты свода обрушені
продолжительности стояния камер
бот высота свода обрушения над МПЦ - 1 составила 8 - 12 м.
Как видно из рис. 2 зона обрушения в плане развивается в северо-западном направлении. Это обусловлено, очевидно, увеличением в данном направлении площади обнажения за счет сползания гидравлической закладки камер 9/1 и 8/1 в выработанное пространство МПЦ - 1. В плоскости вкрест простирания рудного тела (рис. 3 а) зона обрушения формируется практически по вертикали над выработанным пространством МПЦ - 1. Аналогичная картина наблюдается при отработке МПЦ - 2 (рис. 3б).
Со стороны западной стенки МПЦ - 1 имеется крупная зона дробления, падающая на восток под 50-600 и выходящая к руслу реки Макан. Ожидалось, что зона обрушения будет развиваться в сторону нарушения и в худшем случае - по нарушению до поверхности. Однако, по данным натурных наблюдений свод над выработанным пространством формируется практически вертикально. Это подтверждается результатами инструментальных наблюдений, полученных посредством проведения регулярных замеров смещений глубинных реперов, заложенных в массиве
между западной стенкой МПЦ - 1 и зоной дробления.
Фактическая высота зоны обрушения над МПЦ - 1 составляет 15 - 25 м, над МПЦ - 2 - 12
- 14 м. Формирование свода обрушения в вертикальной плоскости происходит в трапециевидной форме с постепенным заполнением образованного пространства обрушенными породами. Систематически проводимые маркшейдерской службой рудника замеры деформаций не выявили значимых смещений налегающего массива и подрабатываемой поверхности, что свидетельствует о возможности отказа от твердеющей закладки при разработке локальных залежей месторождения.
Решение вопроса о рациональном способе управления состоянием массива и локализации пустот осуществлялось на основе уточнения механических характеристик горного массива, изучения структурных особенностей пород, оценки первичного и вторичных полей напряжений, замеров параметров сейсмоколебаний. Поставленные задачи решались путем натурных замеров напряжений, деформаций и скоростей прохождения сейсмических волн в массиве пород. Закономерности формирования полей напряжений и
Рис. 2. План горизонта 145 м с проекцией зоны обрушения над выработанным пространством МПЦ
- 1
деформаций устанавливались на основе математического моделирования в условиях плоскоде-формированного и объемного напряженного состояния.
Оценка структуры массива показала, что его можно характеризовать как мелко и средне блочный с размером блоков 0,1 - 0,5 м. В массиве выделяются две основные сопряженные системы трещин с азимутом и углами падения соответственно равными: 1 система - Апад = 30 - 50о, апад =40 - 85о; 2 система - Апад = 220 - 240о, апад =20 -50о. Реконструкция поля напряжений по методу Г зовского показала, что трещины тектонического происхождения появились в результате сдвиговых деформаций под действием сжимающих суб-горизонтальных тектонических сил меридионального и, в большей степени, субширотного простирания. Третья компонента вертикальна.
Данные реконструкции подтверждены натурными замерами напряжений методом щелевой разгрузки. Замерами установлено, что в природном поле горизонтальные напряжения превышают вертикальные, максимальные напряжения действуют в широтном направлении и в 1,5 - 2 раза превышают значения напряжений в меридиональном направлении. Тектоническая составляющая в природном поле напряжений составляет в широтном направлении 11,5 МПа, в меридиональном - 5,7 МПа.
В зоне горных работ тензор главных напряжений разворачивается, максимальные компоненты действуют по меридиональной оси. В целом напряжения во всех точках замера в зоне концентрации не превысили 21 МПа, что значительно ниже предела проч-
Рис. 3. Вертикальный разрез по профилю В - В (а), С - С (б) (см. рис. 2) с указанием фактического свода обрушения
урсмнь тушенных
ности пород 80-180 МПа, и уровень напряженности массива не вызывает опасений.
Выявленные в процессе натурных замеров превышения горизонтальных напряжений над вертикальными безусловно влияют на формирование устойчивого свода в кровле очистного пространства, повышают устойчивость вертикальных обнажений. Полученные значения напряжений были использованы в качестве граничных условий при разработке геомеханических моделей массива. Математическое моделирование состояния массива производилось методом конечных элементов с использованием программных комплексов МFE [1] и FEMV [2].
Для оценки возможности отказа от закладки и применения систем разработки с открытым очистным пространством при отработке малых и средних локально расположенных рудных тел Октябрьского месторождения с линзообразной формой залегания была подготовлена объемная модель, в которой все запасы рудного тела № 1 отработаны без закладки. Благодаря благоприятной с геомеханической точки зрения линзообразной форме рудных тел, зона растяжения по всему объему массива, окружающего выработанное пространство, отсутствует. Об этом наглядно свидетельствуют изолинии по сечению с наибольшим пролетом очистного пространства 60 м (рис. 4). Зона с минимальным нулевым значением напряжений находится не на контуре очистного пространства, а в глубине массива, где невозможна реализация нарушений устойчивости в форме отрыва. На контуре очистного пространства все напряжения носят сжимающий характер и изменяются от 0,3 до 1,8 МПа. Ввиду отсутствия горизонтальных плоскостей обнажений в кровле и днище выемочного пространства, небольшой глубины горных работ и незначительному разбросу деформационных характеристик вмещающих пород, напряжения на контуре очистного пространства невелики и значительно ниже пре-делОщенкшаченвйчивости пород по условию специального предельного равновесия выявила возможность вывалообразований по плоскостям структурного ослабления 1 и 2 систем трещин в средней части кровли выработанного пространства на глубину 8-14 м.
Результаты оценки устойчивости обнажений по фактору прочности на скол хорошо согласуются с данными практики. Так, после отработки
Рис. 4. Изолинии главных напряжений СТ1 (а) и СТ3 (б) по поперечному разрезу 61 рудного тела № 1 вкрест заложения камер 7/1 - 12/1 при выемке запасов системами разработки с открытым очистным пространством
запасов МПЦ - 1, расположенной вкрест простирания месторождения, зона обрушения развивается в северном направлении (см. рис. 2), а после погашения запасов МПЦ - 2 высота свода обрушения в срединной части кровли камеры достигла 12 -14 м (см. рис. 3).
На основании проведенных расчетов по оценке устойчивости пролетных обнажений и определения параметров свода равновесия можно заключить, что при открытом очистном пространстве, сформированном в процессе освоения запасов рудных тел Октябрьского месторождения, образуется устойчивый свод естественного равновесия. Выход зоны обрушения на поверхность не прогнозируется, так как размеры залежи по короткой стороне менее предельных пролетов устойчивого свода равновесия. Процесс сводообра-зования растянут во времени и контролируется закономерностями изменения свойств пород на обнажениях. Прогнозные максимальные значения высоты зоны обрушения составляют 0,25-0,3 от пролета очистного пространства.
Большие объемы накопленных на месторождении пустот, возможность воздушных ударов, обусловливают необходимость предусмотрения защитных мероприятий по локализации выработанного пространства, проведения расчетов безопасных объемов ВВ с точки зрения сейсмического воздействия на элементы систем подземной разработки. Следует отметить факт, что разрушительное воздействие взрывов на подземные горные конструкции не просто осложняет подземные горные работы, вызывая на обнажениях обруше-
ния, откольные явления, взрывы могут вызывать деформации всего подработанного массива. Таким образом ответственность несущих элементов во время производства массовых взрывов возрастает.
Экспериментальные исследования сейсмического воздействия технологических взрывов на подземные выработки выполнялись путем натурных инструментальных замеров, основной целью которых была оценка достоверности прогноза интенсивности сейсмоколебаний при взрывах по упругим характеристикам, обеспечивающих устойчивость выработок подземного рудника на период их проведения и эксплуатации, и обнажений горного массива в условиях регулярных динамических нагрузок. В процессе производства экспериментов решались следующие вопросы: определялись сейсмические характеристики пород; уточнялись найденные расчетным путем динамические параметры сейсмоволн; корректировались допустимые уровни сотрясений для незакрепленных горных выработок и пустот; определялись сейсмобезо-пасные параметры взрывных работ.
С целью оценки влияния подземных взрывов на устойчивость элементов систем подземной разработки и обнажений пород, корректировки и уточнения динамических параметров сейсмоколебаний была проведена съемка взрывов в натурных условиях Октябрьского подземного рудника. Выполненные расчеты по оценке сейсмического воздействия взрывов на устойчивость породных обнажений и механизм обрушения пород [4] показали, что при формировании открытых очистных пространств с большими пролетами обнажений неизбежно будут происходить локальные обрушения кровли с максимальными общими размерами при многократном воздействии взрывов вглубь
массива до 3-4 м. Наибольшие нарушения кровли происходят при взрывах в ближней зоне. Взрывы на удаленных участках на устойчивость обнажений больших размеров оказывают меньшее воздействие. В целом расчеты свидетельствуют, что при принятой на руднике технологии производства буровзрывных работ обеспечивается устойчивость породных обнажений с пролетами 40-60 м.
Учитывая небольшую ширину выработанных пространств и достаточную устойчивость массива налегающих горных пород, процесс обрушения в изолированных камерах, как показано выше, будет развиваться в течение достаточно длительного периода времени без выхода зон обрушения на поверхность. Особенности геологического строения массива и уровень его напряженности указывают на то, что внезапной посадки кровли в динамическом режиме с образованием воздушного удара не ожидается. Поэтому для локализации пустот можно ограничиться частичным обрушением пород кровли с предварительной изоляцией подходных выработок прочными перемычками.
Так как для предотвращения воздушных ударов необходима более значительная толщина породной подушки, чем по условию защиты основания блока от механического разрушения
падающей массой, использовали методику расчета породной подушки по фактору погашения воздушного потока {5}. Так, для условий камер 1/19, 2/19 и 3/19, образующих единое выработанное пространство площадью Sбл = 40*45м = 1800 м2, по расчетам необходима породная подушка толщиной не менее 11 м. При наличии сбоек с выработанным пространством в количестве 1, 2, 3, 4 толщина породной подушки должна быть не менее соответственно 6; 5; 4,5; 4 м.
Комплексная оценка состояния очистных пространств показала возможность отработки запасов локальных рудных тел Октябрьского месторождения вариантами камерных систем разработки без закладки выработанных пространств. Натурные наблюдения за характером развития деформаций массива и результаты математического моделирования в условиях объемного напряженного состояния указывают на образование устойчивых сводов естественного равновесия над пустотами и отсутствие значимых смещений налегающего массива и подрабатываемой поверхности. Надежная локализация пустот обеспечивается возведением изоляционных перемычек в подходных выработках и созданием подушки из самообру-шающихся пород, толщиной, рассчитанной по фактору погашения воздушного потока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефимов Ю.Н., Сапожников Л.Б. Программный комплекс расчета сооружений и оснований методом конечных элементов для ЕС ЭВМ (шифр MFE). Ленинград. РТП ВНИИГ. - 1987.
2. Зотеев О.В. Научные основы расчета конструктивных параметров систем подземной разра-
ботки руд с учетом структуры массива и порядка ведения горных работ - Дисс. ... докт. техн. наук. -Екатеринбург, 1999.
3. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выфаботок в скальных породах. - Л.: Наука, 1985. - 183 с.
4. Богацкий В.Ф., Пергамент В.Х. Сейсмическая безопасность
при взрывных работах. - М.: Недра. - 1978.
5. Именитое В.Р., Абрамов В.Ф., Попов В.В. Локализация пустот при подземной добыче руды. М.: Недра, 1983. 192 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
У------------------------------------------------------------------------------7
Калмыков Вячеслав Николаевич - профессор, доктор технических наук., Магнитогорский государственный технический университет.
Рыльникова М.В., Мещеряков Э.Ю, - Магнитогорский государственный технический университет.
Илимбетов А. Ф. - Бурибаевский ГОК.
7
