CC BY
34
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 622.838.5
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ЧАСТИЧНОЙ ВЫЕМКИ ЦЕЛИКОВ НА РУДНИКЕ «КАРНАСУРТ»*
А. В. Ловчиков, С. Н. Савченко
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН
Аннотация
Ловозерское редкометалльное месторождение отрабатывается рудником «Карнасурт» на двух маломощных (мощность 1 м) пологопадающих (10-15° к горизонту) рудных залежах системой разработки с поддержанием подработанных покрывающих толщ пород постоянными рудными ленточными целиками. В текущий период при глубине очистных работ до 500-600 м от поверхности потери руды составляют свыше 25 %, а с углублением работ потери руды в целиках должны значительно возрасти. В статье рассматривается возможность частичного извлечения руды из целиков на отработанных площадях залежей с целью уменьшения потерь руды. Ключевые слова:
целики, покрывающие породы, потери руды, численное моделирование, распределение напряжений, несущая способность целиков.
ESTIMATION OF POSSIBLE PARTIAL EXCAVATION OF PILLARS ON THE KARNASURT MINE
Alexander V. Lovchikov, |Ste pa n N . S av c hen ko
Mining Institute of the KSC of the RAS
Abstract
Keywords:
The Lovozero rare-metal deposit is mined by the Karnasurt underground mine in two thin (1 m thickness) flat-dipping (10-15° to the horizon) ore bodies. The deposit is developed by a mining system with supporting undermined cap rocks by permanent ore rib pillars. Currently on a depth of stoping operations equal to 500-600 m the ore loss is higher than 25 %, deepening of mining will result in considerable increase of losses. The paper considers possibility of particular extraction of ore from pillars at mined ore bodies for the purpose to reduce ore loss in pillars.
pillars, cap rocks, ore loss, numerical modelling, distribution of stresses, carrying capacity of pillars.
Ловозерское редкометалльное месторождение, разведанное на двенадцати участках, в текущий момент разрабатывается только на двух участках — «Карнасурт» и «Кедыквырпахк» рудником «Карнасурт», остальные находятся в резерве. Данный рудник отрабатывает две пологопадающие (10-15 к горизонту) пластообразные рудные залежи, выходящие на поверхность, выемочная мощность
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 15-05-04323а.
А. В. Ловчиков, С. Н. Савченко каждой из которых составляет 1 м, расстояние между залежами по вертикали — 90-110 м. Отработка залежей ведется панелями по простиранию. Ширина панелей ранее составляла 30-70 м, в последние годы она увеличилась до 200-250 м. Ввиду гористого рельефа поверхности глубина горных работ составляет от 30-50 м вблизи выходов залежей на поверхность до 500-600 м на глубоких горизонтах.
Отработка залежей ведется сплошной системой разработки с поддержанием покрывающих пород постоянными опорными ленточными целиками. Размеры целиков рассчитываются на поддержание полного веса толщи покрывающих пород до поверхности. Поскольку отработанные очистные блоки не закладываются и не обрушаются, площадь выработанного пространства непрерывно возрастает. Рудник ежегодно отрабатывает 100-150 тыс. м2 залежей, таким образом, площадь выработанного пространства ежегодно прирастает на эту величину. В настоящее время потери руды в целиках составляют свыше 25 %, с увеличением глубины раработки величина потерь руды в целиках еще более возрастет.
Очистные панели по падению рудных залежей ограничиваются штреками, которые проходятся по простиранию залежей через 20-40 м по вертикали. Длина панелей по простиранию залежей достигает 6-7 км. Очистные панели по простиранию через 80-120 м разделяются на очистные блоки. Таким образом, очистные блоки высотой 1 м имеют размеры от 30-70 до 200250 м по падению рудных залежей и 80-120 м по простиранию. По периметру очистные блоки ограничиваются околоштрековыми и междублоковыми ленточными целиками, ширина которых рассчитывается в соответствии с весом толщи налегающих пород. Для обеспечения устойчивости кровли внутри очистных блоков оставляются внутриблоковые целики (размером 1-2 на 3-4 м) по сетке 6-15 м друг от друга, которые, для придания искусственной податливости, камуфлируются, чтобы избежать опасности горных ударов. При расчете нагрузок на целики площадь внутриблоковых целиков не учитывается ввиду их искусственной податливости.
Штреки сводчатого поперечного сечения имеют площадь 3.0x2.7 м2. Сверху и снизу по падению залежей штреки поддерживаются ленточными над- и подштрековыми целиками шириной не менее 3 м. После отработки очистных блоков и панелей они в дальнейшем не обрушаются, не закладываются и не используются, а отделяются от действующих выработок изолирующими перемычками в подходных выработках. Схема отработки залежей на руднике «Карнасурт» представлена поперечным вертикальным сечением шахтного поля рудника вкрест простирания рудных залежей, целики не показаны из-за мелкого масштаба изображения (рис. 1).
г. Карнасурт
Рис. 1. Схематический вертикальный поперечный разрез рудника «Карнасурт»
Оценка возможностей сокращения потерь руды в целиках...
Ввиду значительных потерь руды в целиках и ростом глубин разработки, весьма актуальной становится проблема снижения потерь руды. Она, в определенной степени, может быть решена за счет частичной выемки целиков на отработанных участках рудных залежей. К текущему моменту заканчивается отработка верхней залежи 1-4 выше гор. +430 м (рис. 1), поэтому рассмотрена возможность выемки надштрековых целиков на отработанной части этой залежи. Задача решалась методами численного моделирования (с использованием метода граничных элементов) в двухмерной постановке первой задачи теории упругости. Поскольку напряженное состояние околоштрековых целиков во всех соседних панелях залежи 1-4 идентично, рассмотрено напряженное состояние таких целиков для одного горизонта, расположенного на глубине 200 м от поверхности. Схема моделируемого участка вертикального разреза рудника приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема модели, имитирующей напряженной состояние околоштрековых целиков на залежи 1-4
Поясним геометрическую схему модели и граничные условия. Рельеф дневной поверхности в модели (рис. 2) принят в соответствии со средней геометрией склона г. Карнасурт. Наклон очистных выработок (12°) и их длина (70 м) выбраны близкими к размерам выработок на отработанной части залежи 1-4. Размеры околоштрековых целиков (над- и подштрекового) приняты одинаковыми и имеют ширину 4 м. Размеры сечения штрека приняты 3x3 м2 (квадратной формы) для упрощения расчетов, высота очистных выработок — 2 м. В качестве граничных условий принято действие гравитационных сил <зу = уИ; ах = ХуИ и горизонтальных
сжимающих тектонических сил Тх = -30 МПа (здесь у — удельный вес пород, т/м3; X = ■
1 -V
коэффициент бокового распора (-V — коэффициент Пуассона, у = 0,25). Численные значения гравитационных и тектонических напряжений получены из решения задачи предыдущего этапа исследований [1]. Расчет напряжений с шагом 5x5 м2 выполнен в области 200x200 м2, ограниченной пунктирной линией (рис. 2). В области 60x60 м2 выполнен расчет с шагом 1x1 м2.
Для более точного определения характера расположения и величин напряжений в целиках построены картины изолиний в области целиков 20x20 м2 с шагом 1x1 м2. Исследования выполнены в двух вариантах:
а) между очистными выработками и штреком имеются два целика (над- и подштрековый);
б) надштрековый целик отработан.
Картины распределения напряжений в целиках показаны на рис. 3. Из рис. 3, а, видно, что напряжения ах изменяются от 0 (на вертикальных стенках выработок) до -57 МПа в кровле и почве штрека. В целиках напряжения с находятся в пределах 0-25 МПа. Картина распределения вертикальных напряжений су в целиках показана на рис. 3, б, из которого видно, что в целиках наибольшие значения су находятся в пределах -(50-60) МПа. Наиболее точные значения су (их числовых распечаток) следующие: -72,7 МПа в левой стенке надштрекового целика, 58,6 МПа в правой стенке подштрекового целика.
Если сравнить эти напряжения с величиной иу=уИ (при Н=200 м), то получим 10-кратную концентрацию напряжений от действия собственного веса пород. Распределение напряжений в окрестности штрека в случаеотработки надштрекового целика показано на рис. 4, а и б.
а б
Рис. 3. Распределение горизонтальных сх (а) и вертикальных су (б) напряжений в околоштрековых целиках
Характер распределения горизонтальных напряжений вокруг штрека при удалении надштрекового целика показан на рис. 4, а. Горизонтальные напряжения в целике значительно увеличились — до -40 (в целике) и до -90 МПа (в кровле и почве штрека). Иначе говоря, в кровле и почве штрека концентрация горизонтальных напряжений ах = 3 Тх. Эти напряжения близки к пределу прочности пород при одноосном сжатии, что в естественных условиях может привести к разрушению пород в динамической форме. В удаленных от целиков зонах распределение вертикальных напряжений су практически не изменилось. Существенные величины приобретают вертикальные напряжения су в оставшемся целике (рис. 4, б). Так, максимальные значения су в целике стали -93,2 (в правой стенке оставшегося подштрекового целика) и -92 МПа (в левой его стенке). Максимальная концентрация вертикальных напряжений су = 15уИ.
Оценка возможностей сокращения потерь руды в целиках.
Рис. 4. Распределение горизонтальных стх (а) и вертикальных сту (б) напряжений в подштрековом целике
после выемки надштрекового целика
Для оценки прочности целиков и устойчивости прилежащих к ним пород кровли выработок приведем данные о физико-механических свойствах руд и пород рудника «Карнасурт» (табл. 1) [2]. Напомним, что именно из этих пород — уртитов, фойяитов и луявритов — состоят рудосодержащие, а также вмещающие породы кровли и почвы залежи 1-4. Как видно из рис. 4, б, при выемке надштрекового целика нигде не достигается предел прочности пород на сжатие (табл. 1), то есть прочность подштрекового целика при этом обеспечивается. Уровень максимальных напряжений в оставшемся подштрековом целике достигает в некоторых точках значений 0,5стсж, что свидетельствует о возможности в этих точках динамических проявлений горного давления.
Таблица 1
Физико-механические свойства пород и руд рудника «Карнасурт»
Порода Плотность, т/м3 Предел прочности (МПа) при Модуль упругости, Е10-4, МПа Коэффициент
сжатии растяжении Пуассона хрупкости
Фойяит 2,65 160-243 5,9-8.5 5,1-6,0 0,25-0,30 25-32
Уртит 2,75 247 9,5 7,6 0,27 26
Луяврит 2.6-2,96 187-332 7,1-12 4,6-7.3 0,27-0,31 24-31
Малиньит 2,7 168 8,5 6,0 0,25 21
(руда)
Подсчитаем напряжения в оставшемся подштрековом целике (без учета распределения напряжений в нем) по формуле
°ср - -1-, (1)
где Ll и L2 — пролет соседних очистных выработок, м; d — ширина над- и подштрекового целиков, м; Ь — ширина штрека, м;
Hср — средняя глубина выработок до поверхности, м; у — удельная массива покрывающих пород, т/м3.
Как видно из рис. 2, L1 = L2 = 70 м, d= 4 м, Ь = 3 м, Hср = 200 м, у=2,73 т/м3, тогда аср = 11 060 т/м2, что составляет около 0,7асж и соответствует уровню вертикальных напряжений, полученному из результатов численного моделирования (рис. 4, б).
Уровень напряжений в целике, составляющий 0,7асж, является высоким, что свидетельствует об опасности горных ударов в нем [3], однако при оценке несущей способности и удароопасности пород в рассматриваемых целиках необходимо иметь в виду два следующих обстоятельства.
Во-первых, в действительности уровень напряжений в оставшихся подштрековых целиках должен быть значительно ниже рассчитанного и полученного в результате моделирования (рис. 4, б), так как при решении задачи (рассматривалась плоская задача) в расчет не принимались междублоковые целики, на долю которых приходится до 50 % нагрузок от веса пород, которые налегают над очистным блоком и которые не извлекаются;
Во-вторых, рассматриваемые целики относятся к категории низких, поскольку их высота h составляет 1 м, а ширина d больше 1 м, то есть таких целиков, у которых ширина больше их высоты; соотношение ширины и высоты целиков всегда больше единицы. Поскольку средняя часть целиков работает в условиях объемного сжатия, такие целики обладают повышенной несущей способностью. Повышение несущей способности целиков при их расчете учитывается коэффициентом формы kф, который вычисляется по формуле Е. Церна [4]:
(2)
Удельная несущая способность некоторых целиков рудника «Карнасурт», вычисленная с учетом коэффициента Церна и минимальной прочности пород при сжатии асж = 160 МПа (табл. 1), приведена в табл. 2. Как видно из табл. 2, относительная нагрузка пород в оставшихся подштрековых целиках с учетом их повышенной несущей способности обеспечивает прочность целиков с достаточным запасом.
Таблица 2
Удельная несущая способность целиков
Ширина целика, м 3 4 5 6
Коэффициент формы 1,73 2,0 2,24 2,45
Удельная несущая способность, т/м2 27680 32000 35840 38200
Относительная нагрузка пород в целике 0,58 0,5 0,45 0,42
Оценка возможностей сокращения потерь руды в целиках... В рассмотренной задаче предусмотрена возможность выемки надштрековых целиков. Во-первых, подштрековые целики значительно более равномерно нагружены, чем надштрековые [5], поэтому в них несущая способность пород более рационально используется. Во-вторых, выемка надштрековых целиков более технологична, то есть более легко осуществима, чем выемка других целиков, вследствие чего и рекомендуется к первоочередному применению. Задача решена применительно к условиям доработки вышележащей залежи I-4 рудника «Карнасурт» для глубины не более 300 м от поверхности, для других глубин разработки и других условий необходимо решать специальную задачу.
Технология выемки надштрековых целиков должна быть выработана в процессе опытно-промышленных работ. Поскольку в оставляемых подштрековых целиках в некоторых участках создается высокий уровень напряжений стд > 0,5стсж, в них возможны динамические проявления горного давления. Поэтому основным требованием безопасности при выемке надштрековых целиков является их отработка обратным ходом — от флангов к центру. При этом операции по уборке и транспортировке руды из взорванной массы надштрековых целиков должны выполняться под защитой оставшейся части надштрековых целиков.
Выводы
Расчетами и при помощи численного моделирования обоснована возможность безопасной выемки надштрековых целиков на отработанной части залежи I-4 рудника «Карнасурт» до глубин 200-300 м от поверхности. Устойчивость подработанных толщ покрывающих пород при этом обеспечивается за счет оставшихся целиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ловчиков А. В., Савченко С. Н. Напряженное состояние горных пород вблизи очистных выработок на руднике «Карнасурт» // Вестник МГТУ. 2013. Т. 16, № 4. С. 741-747. 2. Ловчиков А. В., Пернацкий С. И. Горные удары на Ловозерском редкометалльном месторождении // Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. Апатиты: КНЦ РАН, 2003. С. 113-130. 3. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок / И. А. Турчанинов [и др.]. Л.: Наука, 1978. 256 с. 4. Галаев Н. З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений: учебник для вузов. М.: Недра, 1990. 176 с. 5. Ловчиков А. В. Закономерности распределения напряжений в низких рудных целиках // Проблемы механики горных пород: материалы всесоюз. науч. конф. по механике горных пород. Новосибирск: Наука, СО АН СССР, 1971. С. 282-286.
Сведения об авторах
Ловчиков Александр Васильевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: [email protected]
Савченко Степан Николаевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Горного института КНЦ РАН
Author Affiliation
Aleksandr V. Lovchikov — Dr. Sci. (Engineering), Leading Researcher of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: [email protected]
Stepan N. Savchenko — Dr. Sci. (Engineering), Leading Researcher of the Mining Institute of the KSC of the RAS
Библиографическое описание статьи
Ловчиков А. В. Оценка возможности частичной выемки целиков на руднике «Карнасурт» / А. В. Ловчиков, С. Н. Савченко // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 1 (9). — С. 85-92.
Reference
Lovchikov Aleksandr V., Savchenko Stepan N. Estimation of Possible Partial Excavation of Pillars on the Karnasurt Mine. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 1 (9), pp. 85-92 (In Russ.).
