CC BY
22
© А.А. Козырев, И.Э. Семенова, А.В. Земцовский, 2015
УДК 622.83
А.А. Козырев, И.Э. Семенова, А.В. Земцовский
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА КОЭВОЛЮЦИИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ АПАТИТОВОЙ ДУГИ ХИБИН ПРИ ВЫЕМКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ*
Проведены исследования коэволюции напряженно-деформированного состояния восточной части апатитовой дуги Хибинского массива, где ведется отработка месторождений «Олений ручей» и Ньоркпахкское. Актуальность исследований определяется необходимостью совместного ведения открытых и подземных горных работ в условиях действия высоких тектонических напряжений при сложном рельефе дневной поверхности. На основе натурных измерений параметров поля напряжений разработана численная геомеханическая модель, позволившая провести оценку взаимного влияния открытых и подземных работ по мере их развития. Установлено, что оно начинается при достижении фронтом подземных горных работ подкарьер-ного массива. Такой вывод дает основание для пересмотра границ охранных целиков в сторону их уменьшения, что обеспечит прирост запасов, отрабатываемых подземным способом, и увеличит эффективность подземных горных работ. Определен минимальный размер целика между подземными очистными выемками и восточной частью Ньоркпахкского карьера, составивший 50 м.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, Хибинский массив, численное моделирование, открытые и подземные горные работы, охранный целик.
Хибинский массив - является одним из крупнейших в мире массивов нефелиновых сиенитов и располагается в центральной части Кольского полуострова. В плане массив имеет кольцевое строение с крутыми контактами с вмещающими породами [1-3]. В южной части Хибинского массива располагается целая группа месторождений апатит-нефелиновых руд, большинство из которых имеют магматическое происхождение [4].
В юго-восточной части Хибин выделяют месторождения Ньоркпахкское и «Олений ручей», локализованные в пределах восточного сегмента апатитовой дуги Хибинского щелоч-
ного массива (рис. 1). Месторождения располагаются в непосредственной близости друг от друга и приурочены к склонам гор Ньоркпахк и Суолуайв. Абсолютные отметки рельефа находятся в пределах +200 - +700 м, относительные превышения достигают 500 м. Вершины гор сглаженные пла-тообразные, склоны пологие, местами скалистые, изрезаны сетью лощин и ущелий.
В настоящее время Ньоркпахкское месторождение эксплуатируется АО «Апатит», разработка ведется карьером «Ньоркпахкский». Месторождение «Олений ручей» разрабатывается ЗАО «СЗФК». Нижний ярус рудных
* Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-17-00751.
тел месторождения будут отрабатывать подземным способом. Часть запасов нижнего яруса находится в предохранительных целиках под карьерами «Олений ручей» и «Ньоркпахкский».
Расстояние между карьерами сопоставимо с их размерами, кроме того планируемое очистное пространство подземного рудника «Олений ручей» располагается в непосредственной близости от открытых горных работ. Дополнительным фактором, осложняющим разработку месторождений, является действие тектонических напряжений, а также склонность пород массива к упругому деформированию с после дующим хрупким разрушением, вследствие этого, месторождения отнесены к склонным, а с глубины 400 м опасным по горным ударам [5, 6].
Для обеспечения безопасной и эффективной отработки запасов необходимо оценить напряженно-деформированное состояние восточной
части апатитовой дуги Хибин и взаимное влияние горных работ на месторождениях Ньоркпахкское и «Олений ручей» при их развитии.
В период 2011-2014 гг. были проведены натурные исследования состояния массива горных пород месторождения «Олений ручей» комплексом методов [7] включавших: визуальное обследование подземных выработок; ультразвуковой каротаж скважин; метод сейсмической томографии; измерение напряжений методом разгрузки.
В результате проведенных исследований установлено наличие высоких горизонтальных напряжений в массиве горных пород. При измерении методом разгрузки на горизонте +234 м были получены значения максимальных сжимающих напряжений 30-36 МПа (табл. 1), вектора которых ориентированы субгоризонтально.
Измерения напряжений на Ньорк-пахкском месторождении также по-
Рис. 1. Схема расположения отрабатываемых апатит-нефелиновых месторождений Хибинского массива; 1 - Кукисвумчорр, 2 - Юкспор, 3 - Апатитовый цирк, 4 - Плато Расвумчорр, 5 - Коашва, 6 - Ньоркпахк, 7 - Олений Ручей, 8 - Объединенный Кировский рудник, 9 - Расвумчорский рудник, 10 - Центральный рудник, 11 - Восточный рудник
Таблица 1
Результаты измерений напряжений методом разгрузки на гор. +240 м рудника «Олений ручей»
Станция измерений Максимальная компонента, МПа Средняя компонента, МПа Минимальная компонента, МПа Азимут максимальной компоненты,град
№ 1 36 28 9 75
№ 2 30 16 8 90
Таблица 2
Данные измерений параметров напряженного состояния массива пород Ньоркпахкского месторождения [8]
Абсолютная отметка измерительной станции, год измерений Средняя глубина измерительной станции от первоначального рельефа Нср, м Максимальная компонента сттх, МПа Минимальная компонента стш1п, МПа Наклон ст к горизонту Встшах, °
+500 м; 2002 г. 100 18 12 -16
+470 м; 2003 г. 130 24 10 -18
+440 м; 2004 г. 160 33 20 56
+470 м; 2005 г. 130 22 12 106
казали наличие высоких горизонтальных напряжений действующих в массиве горных пород (табл. 2).
Значения измеренных напряжений на месторождениях «Ньоркпахкское» и «Олений ручей» более чем в 3 раза превышают уровень напряжений с учетом только собственного веса пород. Этот факт подтверждает действие в массиве пород тектонических напряжений, величина которых выше гравитационных в несколько раз.
Для оценки напряженно-деформированного состояния восточной части апатитовой дуги Хибин при отработке запасов месторождений двумя близкорасположенными карьерами и подземным рудником разработана трехмерная конечно-элементная модель [9].
В результате расчетов с учетом основных горно-геологических факторов были получены данные об исходном напряженно-деформированном состоянии юго-восточной части апатитовой дуги Хибинского массива.
Значения максимальной компоненты главных напряжений ст во
1 тах
вмещающем массиве изменяются от 20-35 МПа у поверхности, достигая с увеличением глубины на отметке -1000 м 50-55 МПа. Вектора ст
тах
ориентированы субгоризонтально и в направлении, близком простиранию рудной залежи. Области повышенных значений напряжений приурочены к долинам.
С целью оценки взаимного влияния открытых и подземных горных работ на месторождениях «Олений ручей» и «Ньоркпахкское» проведено многовариантное моделирование НДС. Приведем сравнение результатов для следующих вариантов:
• положение Ньоркпахкского карьера на 2007 г. до начала работ на месторождении «Олений ручей»;
• фактическое положение карьерных выемок;
• варианты с развитием подземных горных работ на месторождении «Олений ручей».
Степень влияния горных работ на состояние массива определяли по относительному изменению максимальной компоненты главных напряжений:
СТ° - ок к = . 1°°% ст
где ст
о
значения напряжении для
ненарушенного горными работами массива, сттах состояние массива после отработки тоИ или иной части запасов полезного ископаемого. Критерием значимого влияния горных работ считали более чем 5% изменение уровня напряжений.
При сравнении исходного напряженного состояния с фактическим можно отметить, что зоны, в которых ст изменяется больше чем на 5%,
тах '
приурочены к двум участкам массива (рис. 2):
• участок в окрестности дна и бортов карьеров;
• нагорный участок, находящийся между месторождениями Ньоркпахк и «Олений ручей».
Причем влияние открытых горных работ в области между карьерами распространяется приблизительно до абсолютной отметки +250 м. Нижний ярус рудных тел месторождения «Олений ручей» находится вне зоны влия-
ния открытых горных работ. Нижний ярус рудных тел Суолуайвского участка Ньоркпахкского месторождения частично попадает в зону влияния карьера, особенно западная его часть.
Для оценки влияния подземных горных работ на НДС массива были рассчитаны варианты, моделирующие отработку запасов рудных тел нижнего яруса в разрезах 10-25 до отметки -200 м. Отработка запасов моделировалась как поэтапное развитие подземных горных работ от места разрезки (разрез 12) с шагом равным одному разрезу и учетом геометрии карьерных выемок.
Рассмотрим изменение напряжений на данном участке массива при развитии подземных горных работ вблизи карьеров. На рис. 3 приведено параметра к (%) в вертикальном сечении по простиранию рудных тел на различных этапах отработки запасов: развитие фронта подземных горных работ в сторону «Ньоккпахкского» карьера (левая часть рисунка) до разрезов 9 и 8 соответственно, и в сторону карьера «Олений ручей» (правая часть рисунка) до разрезов 22 до 25 соответственно.
Рис. 2. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах) в сечении по магистрали М+400
Рис. 3. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах) в вертикальном сечение по простиранию рудных тел при развитии подземных торных работ
Зоны, в которых напряжения изменились больше чем на 5%, располагаются в массиве, прилегающем к очистным пространствам карьера и подземного рудника. При развитии подземных горных работ с увеличением размеров очистного пространства, увеличивается также и зона 5%-ного изменения максимальной компоненты главных напряжений. При достижении очистного пространства подземного рудника разрезов 8 и 25 соответственно, отмечается слияние зон влияния на НДС массива открытых и подземных горных работ. Таким образом, в результате исследования
коэволюции напряженного состояния массива восточной части апатитовой дуги определены границы взаимного влияния подземных и открытых очистных выемок и установлено, что оно начинается при достижении фронтом подземных горных работ подкарьерно-го массива. Такой вывод дает основание для пересмотра границ охранных целиков в сторону их уменьшения, что обеспечит прирост запасов, отрабатываемых подземным способом, и увеличит эффективность подземных горных работ.
Для более детальной оценки влияния подземных горных работ на НДС
массива пород Ньоркпахкского месторождения была разработана модель Суолуайвского участка месторождения. Данный участок располагается в юго-восточном борту карьера «Ньоркпахкского» и включает в себя 8 пологопадающих рудных тел лин-зовидной формы, мощность которых изменяется от 8 м до 50 м (средняя мощность 20 м). По углу падения запасы руды в основном представлены пологими рудными телами с углом падения а до 25° и наклонными рудными телами а = 25^45°.
Граничные условия были заданы в виде узловых перемещений и рассчитаны путем интерполяции из данных предыдущего этапа моделирования. То есть, опосредованно учтены данные натурных измерений напряжений на месторождениях «Ньоркпахкское» и «Олений ручей». Таким образом, сформирована объемная геомеханическая модель Суолуайвского участка Ньоркпахкского месторождения
учитывающая контуры рудных тел, упругие свойства массива, рельеф дневной поверхности, различные положения карьера «Ньоркпахкский», а также напряженно-деформированное состояние массива при фактическом состоянии открытых и подземных горных работ. На рис. 4 представлен план модели с проекцией рудных тел Суолуайвского участка, границей проектного контура карьера «Ньоркпахкский», линиями рудничной сетки координат, контуром прибортового целика на отметке +200 м, а также сечениями модели.
С использованием конечно-элементной модели была просчитаны варианты с развитием открытых и подземных горных работ на Ньорк-пахкском месторождении. Открытые горные работы моделировали в соответствии с проектными проработками ООО «Горно-Химический инжиниринг» [10], подземные горны работы -в соответствии с предложениями ГоИ
Рис. 4. План модели Суолуайвского участка
Рис. 5. Распределение <зтх в вертикальном сечении по разрезу 1 при фактическом положении Ньоркпахкского карьера в районе Суолуайвского участка
КНЦ РАН, суть которых сводится к возможности выемки подкарьерных запасов Суолуайвского участка со стороны подземного рудника «Олений ручей». Определяли влияние горных работ на напряженное состояние массива в границах охранного целика. Расчеты проводились в несколько этапов.
В первую очередь было рассчитано НДС при фактическом положении Ньоркпахкского карьера (2014). В результате было установлено, что зона концентрации максимальной компоненты главных напряжений приурочена к нижней части карьерной выемки и максимальна по площади
и значениям в разрезах 0+1 (рис. 5), где глубина восточной части карьерной выемки максимальна. Величины ст достигают 50 МПа во вмещающих
max
породах при среднем уровне на глубине будущей подземной отработки 35+40 МПа. В рудных телах значения ст несколько ниже и колеблются в
max
пределах 30+35 МПа. Также следует отметить субгоризонтальное направление действия CTmax, с некоторой переориентировкой векторов в окрестности уступов карьера. Растягивающие напряжения в массиве охранного целика практически отсутствуют, что говорит о низкой вероятности образования трещин отрыва в массиве.
+600
Рис. 6. Распределение итах в вертикальном сечении по разрезу 1 при фактическом положении Ньоркпахкского карьера и имитации выемки запасов в отметках +220^+320 м, не попадающих в границы проектного карьера с оставлением 50-метрового целика
а) б)
Рис. 7. Распределение <зтПп в окрестности борта карьера по разрезу 3: а) при проектном положении карьерной выемки и отсутствии подземных горных работ; б) при подработке борта с оставлением целика 50 м
Далее анализировали перераспределение напряжений при имитации отработки подземных запасов месторождения Суолуайв в отметках 220^320 м за бортом проектного карьера с оставлением 50-метрового целика (рис. 6). Как видно, при этом НДС в окрестности уступов карьера меняется незначительно. Увеличение максимальной компоненты сжимающих напряжений не превышает 5%, минимальная компонента в массиве охранного целика также практически неизменна.
Одной из важнейших задач при геомеханическом обосновании комбинированной отработки недр является определение безопасных параметров предохранительного целика между открытыми и подземными горными работами. Для решения данной задачи сравнивали напряженное состояние в окрестности проектной карьерной выемки без подземных очистных пространств и с имитацией подземной выемки запасов до отметки +200 м при различных размерах прибортово-го целика.
Приведем распределение минимальной компоненты главных напряжений в окрестности проектируемых горных работ при размере целика 50 м по разрезу 3, в котором влияние подземной выемки на борт карье-
ра максимально (рис. 7). Как видно, изменения ст . в приповерхностной
min 1 1
зоне незначительно, увеличение локальной зоны растяжений у дневной поверхности не наблюдается. Наибольшее влияние на массив отмечено в окрестности подземной выемки, формируются зоны растягивающих напряжений в кровле создаваемых подземных обнажений и в межрудных целиках, при этом абсолютные величины растягивающих напряжений близки к нулю, а направление вероятных трещин отрыва субгоризонтальное, что снижает вероятность их прорастания к борту карьера.
При действии в массиве пород умеренных сжимающих напряжений развитие трещин отрыва и разрушение массива маловероятно. Что касается состояния участка борта вблизи подземных горных работ, то в массиве уступов в диапазоне 260^430 м происходит незначительное, некритичное для устойчивости уступов и участка борта в целом, уменьшение ст . На более низких отметках рас-
min
пределение CTmin в прибортовом массиве практически не меняется.
При моделировании комбинированных горных работ с уменьшением целика между открытыми и подземными горными работами, результаты
расчета НДС показали превышение критических величин как по уровню сжимающих, так и по уровню растягивающих напряжений. Поэтому минимально возможное расстояние между подземными очистными выемками и бортом карьера до завершения открытых горных работ принято равным 50 м.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что взаимное влияние открытых и подземных работ при отработке запасов месторождений «Олений ручей»
и «Ньоркпахкское» начинается при достижении фронтом подземных горных работ подкарьерного массива. Такой вывод дает основание для пересмотра границ охранных целиков в сторону их уменьшения, что обеспечит прирост запасов, отрабатываемых подземным способом, и увеличит эффективность подземных горных работ. Определен минимальный размер целика между подземными очистными выемками и восточной частью Ньоркпахкского карьера, составивший 50 м.
1. Пожиленко В.И., Гавриленко Б.В., Жиров Д.В., Жабин С.В. Геология рудных районов Мурманской области. - Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2002. -359 с.
2. Галахов А. В. Петрология Хибинского щелочного массива. - Л.: Наука, 1975. -256 с.
3. Онохин Ф.М. Особенности структуры Хибинского массива и апатито-нефелиновых месторождений.. - Л.: Наука, 1975. - 106 с.
4. Иванова Т.Н. Апатитовые месторождения Хибинских тундр - М.: Госгеолтехиз-дат, 1963. - 287 с.
5. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99). - М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. - 66 с.
6. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Семенова И.Э., Земцовский А.В., Павлов Д.А. Комплексное геомеханическое исследование массива горных пород удароо-пасного месторождения «Олений ручей» при ведении подземных горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 4. - С. 46-55.
8. Рыбин В.В., Константинов К.Н. Результаты геомониторинга геомеханического состояния пород в бортах карьеров / Труды всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». - Новосибирск, 2011.- С. 431-437.
9. Козырев А.А., Семенова И.Э., Зем-цовский А.В. Геомеханическое обоснование безопасных параметров системы разработки и последовательности ведения подземных горных работ на перспективном месторождении «Олений ручей» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010, № 9. - С. 289-296.
10. Проектная документация. «Восточный Рудник. Отработка запасов месторождения Ньоркпахк. Открытые горные работы». -Кировск: ГорноХимический инжиниринг, 2013. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Козырев Анатолий Александрович - доктор технических наук, профессор,
заместитель директора, e-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru,
Семенова Инна Эриковна - кандидат технических наук,
старший научный сотрудник, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru,
Земцовский Александр Васильевич - научный сотрудник,
e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru,
Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.83
PREDICTIVE ASSESSMENT OF CO-EVOLUTION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF EASTERN PART OF THE APATITE KHIBINY ARC AT MINING
Kozyrev A.A.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Deputy Director, e-mail kozar@goi.kolasc.net.ru,
Semenova I.E.1, Candidate of Technical Sciences,
Senior Researcher, e-mail: innas@goi.kolasc.net.ru,
Zemtsovskiy A.V.1, Researcher, e-mail: zemtsovskiy@yandex.ru,
1 Mining Institute of Kola Scientific Centre of Russian Academy of Sciences,
184209, Apatity, Russia.
The research of co-evolution of the stress-strain state of eastern part of the Khibiny massif was carried out. In this part of massif the Niorkpahkskoe and Oleniyruchey deposits are mined. The research actuality is determined by necessity of open-pit and underground mining combination under high tectonic stresses conditions with difficult surface relief. Numerical geomechanical model was developed based on in-situ measurements of stress field parameters. The model enables to estimate mutual influence of open-pit and underground mining in progress. It is found that the influence occurs when underground mining reaches the rock mass under open-pit. This conclusion suggests that the safety pillar boundaries can be revised for the purpose of their decreasing. The pillar sizes decreasing allow extending ore reserves and increasing underground mining efficiency.The minimum pillar size between underground stope and the Niorkpahkskiy open-pit was defined, and it is 50 m.
Key words: stress-strain state, Khibiny massif, numerical modeling, open-pit and underground mining, safety pillar.
ACKNOWLEDGEMENTS
The studies have been supported by the Russian Science Foundation, priority research program «Basic and exploratory research by individual scientific teams», grant no. 14-17-00751.
REFERENCES
1. Pozhilenko V.I., Gavrilenko B.V., Zhirov D.V., Zhabin S.V. Geologiya rudnykh raionov Murmanskoi oblasti (Geology of ore provinces in the Murmansk Region), Apatity, Izd. Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN, 2002, 359 p.
2. Galakhov A.V. Petrologiya Khibinskogo shchelochnogo massiva (Petrology of the Khibiny alkaline rock mass), Leningrad, Nauka, 1975, 256 p.
3. Onokhin F.M. Osobennosti struktury Khibinskogo massiva i apatito-nefelinovykh mestorozhdenii (Structural features of the Khibiny rock mass and apatite-nepheline ore bodies), Leningrad, Nauka, 1975, 106 p.
4. Ivanova T.N. Apatitovye mestorozhdeniya Khibinskikh tundr (Apatite deposits in the Khibiny tundra), Moscow, Gosgeoltekhizdat, 1963, 287 p.
5. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh porod na rudnikakh i nerudnykh mestorozhdeniyakh, ob"ektakh stroitel'stva podzemnykh sooruzhenii, sklonnykh i opasnykh po gornym udaram (RD 06-329-99) (Guidelines on safe underground metal and nonmetal mining and construction under rockburst hazard conditions (RD 06-329-99)), Moscow, GP NTTs po bezopasnosti v promyshlennosti Gosgortekhnadzora Rossii, 2000, 66 p.
6. Ukazaniya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na mestorozhdeniyakh, sklonnykh i opasnykh po gornym udaram (Instructions on safe mining at rockburst-hazardous deposits), Apatity, KNTs RAN, 2002.
7. Semenova I.E., Zemtsovskii A.V., Pavlov D.A. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2014, no 4, pp. 46-55.
8. Rybin V.V., Konstantinov K.N. Trudy vserossiiskoi nauchnoi konferentsii s uchastiem inostrannykh uchenykh «Geodinamika i napryazhennoe sostoyanie nedr zemli» (Geodynamics and stress state of the Earth's interior: International conference proceedings), Novosibirsk, 2011, pp. 431-437.
9. Kozyrev A.A., Semenova I.E., Zemtsovskii A.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2010, no 9, pp. 289-296.
10. Proektnaya dokumentatsiya. «Vostochnyi Rudnik. Otrabotka zapasov mestorozhdeniya N'orkpakhk. Otkrytye gornye raboty» (Project documentation. «Vostochny mine. Extraction of Niorkpakhk deposit reserves. Open pit mining»), Kirovsk, GornoKhimicheskii inzhiniring, 2013.
