CC BY
23
УДК 622.831.32
Д.В.СИДОРОВ, канд. техн. наук, зав. лабораторией, sidorov_dv@spmi.ru О.Б.ШОНИН, д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. 328-84-69 Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
D.V.SIDOROV, PhD in eng. sc., laboratory head, sidorov_dv@spmi.ru O.B.SHONIN, Dr. in eng. sc., senior research assistant, tel. 328-84-69 Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
ПРОГНОЗ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УДАРООПАСНОГО СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО БОКСИТОВОГО
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Приводятся результаты применения на предприятии «Севуралбокситруда» технологии компьютерного моделирования для прогнозирования геодинамических процессов, происходящих при ведении горных работ в тектонически напряженных зонах рудных залежей. Определена степень влияния активных тектонических нарушений на конструктивные элементы камерно-столбовой системы разработки.
Ключевые слова: прогноз, программный комплекс, горный удар, тектонические нарушения.
PREDICTION OF GEODYNAMIC PROCESSES IN EXPLOITATION OF THE ROCKBURST-DANGEROUS NORTH-URALS BAUXITE
DEPOSIT
The paper presents the results of a computer modeling technology applied in the «Sevural-boxitruda» enterprise. The aim of the technology is to forecast geodynamical processes during mining works in tectonic-stressed zones of ore deposits. The impact degree on structural components of room-and-pillar mining method caused by active tectonic faults is estimated.
Key words, prediction, program complex, rock burst, tectonic disturbances.
Разработка Североуральского бокситового месторождения осуществляется в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующихся невыдержанной мощностью рудной залежи, неравномерным оруденением: безрудными зонами и участками непромышленного ору-денения, различием физико-механических свойств руд и вмещающих пород, тектонической нарушенностью, сложным взаимным расположением и конфигурацией очистных работ, применением систем разработок с оставлением целиков, большими площадями обнажения кровли. Эти факторы приводят к неравномерному перераспределению напряжений в горном массиве и при опреде-
ленных обстоятельствах к опасности возникновения концентраторов повышенных напряжений, в которых возможно проявление горного давления в динамической форме (в виде горных ударов) с разрушением действующих выработок.
Прогноз влияния горно-геологических и горно-технических факторов на напряженно-деформированное (НДС) и ударо-опасное состояние массива горных пород и рудных залежей в настоящее время выполняется за счет проведения широкомасштабных инструментальных исследований, а также путем использования методов физического моделирования и расчетных методов. Вместе с тем постановка широ-
комасштабных инструментальных исследований и разработка физических моделей являются трудоемкими и дорогостоящими мероприятиями и, следовательно, на сегодняшний день перспективной видится разработка современных инновационных технологий, позволяющих использовать компьютерное моделирование геодинамических процессов, происходящих при разработке месторождений.
Быстрое развитие промышленности и программного обеспечения компьютеров коренным образом изменило ситуацию, открыв широкие возможности для применения компьютерной технологии моделирования напряженно-деформированного состояния и удароопасности массива горных пород. При этом наиболее эффективным стало применение численных методов для решения ин-тегродифференциальных уравнений. Особенно эффективными они оказались при решении вопросов безопасного ведения работ при склонности пород и руд к горным ударам. Связано это со спецификой изучения динамических явлений, которая обусловлена почти мгновенным развитием процесса разрушения пород. Вместе с тем их использование, степень реализации и соответственно качество получаемых решений в значительной степени определяется возможностями применяемых вычислительных средств и программного обеспечения.
Для оперативного прогнозирования геодинамических процессов при эксплуатации удароопасных месторождений разработан специализированный программный комплекс для оценки напряженно-деформированного состояния и удароопас-ности месторождений с учетом широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических условий их разработки.
Разработанная технология компьютерного моделирования опробована при прогнозировании геодинамических процессов в пределах блоков 6-ю, 7-ю, 8-ю, гор. - 680 м шахты «Кальинская». Участок для проведения моделирования был предоставлен службой ППГУ и характеризовался следующими сложными условиями: невыдержанной мощностью рудной залежи, изменяющейся от
10 м и более до полного выклинивания; неравномерным оруденением как по площади участка, так и по литологическому разрезу (рудная залежь представлена: красными маркими бокситами (стсж = 20,0 МПа), красными немаркими бокситами (стсж = 40,0 МПа) и яшмовидными бокситами (стсж = 80,0 МПа), а также сложным взаимным влиянием очистных работ; наличием активного тектонического нарушения АТН № 11 со следующими параметрами: контактируемые породы в поднятом крыле известняки светлосерые S2 - D1, в опущенном крыле - боксит серый обесцвеченный пиритизирован-ный, ширина зоны дробления 1,6 м, мощность шва 3,0 см, шов сухой, штриховка выражена слабо, шов неровный и заполнен глинистым материалом (угол внутреннего трения глинистых пород с учетом масштабного фактора 5°, сцепление 0,1 МПа). Ситуация в пределах исследуемого участка усугублялась из-за большой глубины горных работ - 880 м.
Электронный план горных работ исследуемого участка, загруженный в основное окно программного комплекса, приведен на рис.1.
Результаты (фрагмент) применения технологии компьютерного моделирования приведены на рис.2.
Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:
• вертикальные напряжения и2 под выработанным пространством являются растягивающими, что соответствует появлению под выработкой зоны разгрузки. Вместе с тем под междукамерными целиками, безрудными зонами, участками непромышленного оруденения и краевыми частями рудной залежи напряжения и2 являются сжимающими, что приводит к образованию зон опорного давления;
• для горизонтальных напряжений ах и оу характерно быстрое затухание в сторону почвы отрабатываемой рудной залежи;
• касательные напряжения т^ с удалением в сторону почвы отрабатываемой залежи сначала возрастают, а затем при достижении максимального значения начинают убывать;
PRESS 3D URAL [Обработка исходном графическом документации]
Рис. 1. Электронный план горных работ исследуемого участка
Рис.2. Результаты прогноза НДС и удароопасности рудопородных элементов
• значения вертикальных напряжений в расчетных элементах рудной залежи, непосредственно расположенных вблизи шва нарушения АТН № 11, превышают на 710 % значения напряжений, полученных без учета влияния тектонического нарушения. В то же время в некоторых конструктивных элементах в пределах исследуемого участка отмечается эффект разгрузки. Эффект при-грузки и разгрузки конструктивных элементов системы разработки, расположенных в
окрестности тектонического нарушения, будет расти по мере увеличения очистного пространства.
Проведение дальнейшей апробации программного комплекса позволит продолжить работы как в области текущего, так и перспективного прогнозирования геодинамических процессов при разработке удароопасных месторождений и наметить пути внедрения разработанной технологии.
