Научная статья на тему 'Оценка состояния выработок в криозоне на примере рудника «Купол»'

Оценка состояния выработок в криозоне на примере рудника «Купол» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
125
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ / ОБЛАСТЬ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ / THE AREA OF LIMITING STATE / КРЕПЬ ВЫРА-БОТОК / WORKINGS SUPPORT / БЛИЗПОВЕРХНОСТНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ / NEAR-SURFACE DEPOSITS / ПРОЧНОСТЬ ПОРОД / ROCKS STRENGTH / PERMAFROST ROCKS

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Феклистов Юрий Георгиевич, Голотвин Алексей Дмитриевич, Широков Максим Анатольевич

В статье рассмотрены горно-геологические и горнотехнические условия разработки место-рождения «Купол» в зоне многолетнемерзлых пород. Выполнена общая оценка состояния выработок на руднике. На основе анали-тических решений определены размеры и конфигурации зон предельного состояния пород вокруг выработок с учетом анизотропии проч-ности массива. Предложены рекомендации по контролю состояния и поддержанию выра-боток на руднике «Купол» и в сходных условиях других рудников.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Феклистов Юрий Георгиевич, Голотвин Алексей Дмитриевич, Широков Максим Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ESTIMATION THE WORKINGS’ STATE IN KRYOZONE, THE “KUPOL” MINE BEING AS AN EXAMPLE

Mining-geological and mining conditions of the “Kupol”: deposit development in the zone of permafrost rocks are considered in the article. Overall estimation of the workings’ state in the mine is performed. In terms of analytical solutions dimensions and configuration of the zones of limiting state of rocks are determined. Recommendations on both monitoring the state and workings supporting in the “Kupol” mine and in similar conditions of other mines are proposed.

Текст научной работы на тему «Оценка состояния выработок в криозоне на примере рудника «Купол»»

УДК 622.273.2:551.345

Феклистов Юрий Георгиевич

кандидат технических наук, доцент,

заведующий лабораторией геодинамики

и горного давления,

Институт горного дела УрО РАН,

620075, г. Екатеринбург,

ул. Мамина-Сибиряка, 58

e-mail: feklistov@,igduran.ru

Feklistov Yury G.

candidate of technical sciences, assistant professor,

the head of the laboratory of geo-dynamics

and mine pressure,

The Institute of mining UB RAS,

620075, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st.

e-mail: feklistov@igduran.ru

Голотвин Алексей Дмитриевич

кандидат технических наук, соисполнитель лаборатории геодинамики и горного давления, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: algol3003@mail.ru

Golotvin Alexey D.

candidate of technical sciences, The Institute of mining UB RAS e-mail: algol3003@mail.ru

Широков Максим Анатольевич

инженер ПТО,

ЗАО Чукотская горно-геологическая компания, рудник «Купол», e-mail: max-589@yandex.ru

Shirokov Maxim A.

engineer of the ITA CJSC the Chukotsk mining and geological company, "the Kupol" mine e-mail: max-589@yandex.ru

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВЫРАБОТОК В КРИОЗОНЕ НА ПРИМЕРЕ РУДНИКА «КУПОЛ»

ESTIMATION THE WORKINGS' STATE IN KRYOZONE, THE "KUPOL" MINE BEING AS AN EXAMPLE

Аннотация:

В статье рассмотрены горно-геологические и горнотехнические условия разработки месторождения «Купол» в зоне многолетнемерзлых пород. Выполнена общая оценка состояния выработок на руднике. На основе аналитических решений определены размеры и конфигурации зон предельного состояния пород вокруг выработок с учетом анизотропии прочности массива. Предложены рекомендации по контролю состояния и поддержанию выработок на руднике «Купол» и в сходных условиях других рудников.

Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, область предельного состояния, крепь выработок, близповерхностные месторождения, прочность пород

Abstract:

Mining-geological and mining conditions of the "Kupol": deposit development in the zone of permafrost rocks are considered in the article. Overall estimation of the workings ' state in the mine is performed. In terms of analytical solutions dimensions and configuration of the zones of limiting state of rocks are determined. Recommendations on both monitoring the state and workings supporting in the "Kupol" mine and in similar conditions of other mines are proposed.

Key words: permafrost rocks, the area of limiting state, workings support, near-surface deposits, the rocks strength

Месторождение «Купол» находится на Дальнем Востоке России на территории Анадырского района Чукотского автономного округа. Ближайший населенный пункт г. Билибино расположен на 300 км северо-западнее [1]. Месторождение «Купол» является типичным близповерхностным золото-серебряным месторождением. Его рудные тела находятся в толще многолетнемерзлых пород. Вечная мерзлота достигает глубин 400 - 600 м, оттаивание пород отмечается при глубине 250 м. Средняя температура в шахте -4о С. Водопритоки подземных вод незначительны.

Основная система жил простирается с севера на юг и круто падает к востоку под углом 75 - 90о. Рудные тела на месторождении представлены жилами, системами прожилков и вмещающими их оруденелыми породами. Мощность рудных тел варьирует от 0,2 до 20 м, простирание от 50 до 2000 м, распространение оруденения на глубину по

падению более 430 м. Комплекс рудовмещающих пород коренной основы характеризуется довольно большой трещиноватостью. Модуль трещиноватости достигает 6 -10 трещин на 1 м, расстояния между трещинами составляют 0,1 - 0,65 м.

Согласно ранее выполненной оценке отношение горизонтальных напряжений к вертикальным составляет 1,8 - 2,2; градиент вертикальных напряжений 0,027 МПа/м. Такое поле естественных напряжений достаточно характерно для близповерхностных рудных месторождений.

По лабораторным испытаниям прочность пород на одноосное сжатие оо в среднем по месторождению составляет в сухом состоянии 110 МПа, в водонасыщенном 65 МПа; прочность на растяжение 5 МПа; угол внутреннего трения р = 30о.

В настоящее время на подземном руднике «Купол» ежегодно поддерживается 45 - 50 км и нарезается 14 - 16 км горных выработок. По причинам плохого состояния выработок (10 - 20 %) возникают аварийные ситуации, приводящие к снижению показателей добычи и повышению травматизма.

На месторождении применяются камерные системы отработки с отбойкой руды из подэтажных штреков и закладкой выработанного пространства. В данное время на руднике применяется система разработки, приведенная на рис. 1.

На руднике при достигнутых глубинах порядка 250 - 300 м отмечается существенное ухудшение состояния выработок с ожиданием тенденции развития негативных процессов при дальнейшем понижении горных работ. Вопросы совершенствования поддержания выработок приобретают высокую актуальность для обеспечения производительной работы всего рудника.

В горном массиве выделено два типа переходных зон. Переходная область I образуется в летний период из-за вентиляции выработок теплым воздухом. Граница этой области от устья стволов распространяется до 300 м и ограничивается изотермой -1°С. Природно-переходная область II существует постоянно и не зависит от сезонных изменений температур. Данная область располагается в интервалах глубин 250 - 350 м, границы области определяются изотермами горных пород от -1°С до +0,5°С. В переходных областях существует «вялая» мерзлота, в которой снижается цементирующий фактор мерзлоты, уменьшается прочность пород и ухудшается устойчивость выработок.

I I

о I н | Рудная панель о

^ 1 1 - ^

150 -300 м

Рис. 1 - Система разработки панельной выемки руды с отбойкой рудного массива из подэтажных штреков и одновременной закладкой выработанного пространства

Прочность пород в массиве Ом определена на основе лабораторных испытаний временной прочности пород на одноосное сжатие 00 и коэффициента структурного ослабления кстрОм = кстр00. Коэффициент структурного ослабления кстр определен на основе анализа известных исследований (ВНИМИ, ИГД УрО РАН, а также СНиП и др.). Для месторождения «Купол» коэффициент в зависимости от средних размеров отдель-ностей с учетом прочности лабораторных образцов пород принят 0,25.

Средняя расчетная временная прочность пород на одноосное сжатие в массиве 0м0 для месторождения «Купол» в мерзлом состоянии 0м0- -27 МПа, в талом состоянии 0м0+ -16 МПа. Длительная расчетная прочность пород на одноосное сжатие в массиве Ом® в мерзлом состоянии Омо>- -14 МПа, в талом состоянии 0м®+ - 8 МПа.

Анизотропия прочностных свойств массива месторождения «Купол» рассмотрена исходя из пространственной характеристики поверхностей нарушенностей (нарушения, расслоения, трещины), приведенных на рис. 2.

В соответствии с теорией прочности анизотропных сред, сформулированной Г. Н. Кузнецовым [2], определены диаграммы прочности для условий месторождения «Купол». При этом сцепление по контактам с/ принято близким к минимальному и равному 0,01с0 (с0 - сцепление пород по испытаниям лабораторных образцов).

N

Б

Рис. 2 - Диаграмма основных систем нарушенностей на месторождении «Купол» (нарушения, расслоения, трещины; угол падения/азимут падения): 1 - главная жила (85°/100°); 2 - расслоения ф 85°/255°); 3, 4 - трещины (Ъ 86°/214°, J2 57°/214°); 5, 6 - сбросы, сдвиги 88°/206°, F2 887118°)

На рис. 3 приведены круговые диаграммы прочностных параметров массива в вертикальной плоскости, перпендикулярной поверхностям ослабления: одинарных с углом падения, близким к Р1=85° (поверхности 1, 2, 6 на рис. 2) и двойных согласно залегающих с углами Р1=85° и Р2=57° (поверхности 3, 5, 4 на рис. 2). Прочность пород массива, обусловленная свойствами контактов и зависимая от пространственной ориентации рассматриваемой точки (угол ф), представлена в виде тангенциальной прочности Оме на контуре условной круглой выработки в зависимости от направления (угол ф). Тангенциальная прочность приведена в долях от прочности массива на одноосное сжатие Ом на диаграммах как Оме/Ом (Ом - в данном случае прочность массива на одноосное сжатие с учетом геокриологического и временного факторов). Там же приведен условный синус угла внутреннего трения sinp/усл пород в массиве, обусловленный контактами.

Оме / От втр

уел

90° | З1 = 85°

120^—*"

150^ йг*/ /сьм\</ ^

180°^-- | 0°

- ; 1 :'—* ■^-360°

210°\ 240°^- /330°

270°

а б

Рис. 3 - Круговые диаграммы прочностных параметров массива в вертикальной плоскости, перпендикулярной поверхностям ослабления: а - одинарных с углом падения, близким к 01=85° (поверхности 1, 2, 6 на рис. 2); б - двойных согласно залегающих с углами р1=85° и р2=57° (поверхности 3, 5, 4 на рис. 2); сплошные линии - относительная прочность на сжатие в окружном направлении сме/см; пунктирные линии - условный синус угла внутреннего трения Бтр^; прочностные свойства контактов: с/ = 0,01со = 0,0029со = 0,012см, угол трения по контактам р/ = р = 30°

При расположении продольной оси выработки под углом 5 к направлению простирания систем нарушенностей прочность массива на одноосное сжатие Сме5 и условный синус угла внутреннего трения Б1пр/усл5 в зависимости угла 5 определялись следующим образом:

сме5 = сме СОБ25 + см вт25; (1)

втрусл5 = втрусл соб25 + Бтр БШ25. (2)

На рис. 4. приведены диаграммы прочностных параметров для вертикальных сечений, расположенных под углом 45° к простиранию систем нарушенностей.

а

б

Рис. 4 - Диаграммы прочностных параметров для сечений, расположенных под углом 450 к простиранию плоскостей ослабления: а - одинарных с углом падения, близким к р1=85°; б - двойных согласно залегающих с углами р1=85° и р2=57°

На диаграммах видно, что у каждой плоскости ослабления имеется четыре сектора со значительно сниженной прочностью. При этом области с прочностью в два и более раз меньшей могут достигать половины площади рассматриваемого сечения. Это является весьма важным обстоятельством для определения состояния пород в выработках, принятия соответствующих эффективных технических решений по их поддержанию.

Согласно общему решению К.В. Руппенейта [3], выполнены расчеты размеров зон предельного состояния в мерзлых и талых породах. При этом, в отличие от [3], учтена анизотропия прочности массива в зависимости от рассматриваемого направления, обусловленная системами нарушенностей (круговые диаграммы прочности на рис. 3 и 4).

На рис. 5. приведен пример оценки возможных размеров зон предельного состояния пород вокруг нарезных выработок на глубине 300 м, расположенных в створе с забоем.

Рис. 5 - Пример оценки размеров зон предельного состояния пород вокруг нарезных выработок (<$штр=19,6 м2) в створе с забоем, рекомендуемым расположением анкерной крепи и скважин для упрочнения пород кровли - почвы очистного забоя путем нагнетания связующих растворов при «анк = 1,0 анк/м2, Н=300 м: а - мерзлые породы; б - талые породы

Согласно выполненным расчетам зоны предельного состояния в зоне таяния для нарезных выработок на 1,7 - 1, 9 м больше, чем для зоны вечной мерзлоты.

Выводы и рекомендации

С позиций геомеханики при планировании ведения горных работ в криозоне важно оценить, в каких именно породах - мерзлых или талых - будет находиться выработка на глубинах природно-переходной области:

- в этой связи необходимо на стадии проходки систематически контролировать поведение массива пород и своевременно корректировать паспорт крепления выработки (частота установки анкеров, ячейка сетки и пр.) в зависимости от фиксируемых проявлений горного давления.

- постоянно измерять температуру пород в разведочных скважинах и шпурах для анкеров. При температуре массива выше -1оС наиболее тщательно контролировать поведение пород.

В технологическом отношении в неустойчивых породах следует применять торкретирование бортов и кровли выработки с затяжкой металлической сеткой и установкой анкеров:

- параметры анкеров в кровле необходимо принимать исходя из веса пород, ограниченных областью предельного состояния выше контура кровли выработки, в соответствии с методикой, изложенной в [4].

- для укрепления почвы выработки возможно нагнетание связующих растворов

[5, 6].

Литература

1. Технико-экономическое обоснование (проект) строительства горнодобывающего предприятия на месторождении «Купол». Т. 3. Горная часть. - ООО «Дальрудпро-ект», Магадан, 2005. - 200 с.

2. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород / Г.Н. Кузнецов. - М.: Уг-летехиздат, 1947. - 180 с.

3. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород / К.В. Руппенейт. -М.: Углетехиздат, 1954. - 384 с.

4. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах Российской федерации» / Утверждена приказом Ростехнадзора № 610 от 17.12.2013 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.gosnadzor.ru/public/discussion/acts/anker/

5. Инъекционное упрочнение горных пород / Ю.З. Заславский и др. - М.: Недра, 1984. - 177 с.

6. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд / Е.В. Кузьмин - М.: Недра, 1991. - 253 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.