CC BY
38
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ЦЕЛИКА ПОД ВОДОНОСНЫМ ГОРИЗОНТОМ1
Василий Дмитриевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-05-41, e-mail: vbarl@misd.nsc.ru
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
По результатам численного моделирования и данным натурных наблюдений выполнена прогнозная оценка напряженно-деформированного состояния предохранительного целика под водоносным горизонтом при подземной отработке запасов рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА».
Ключевые слова: водоносный комплекс, предохранительной целик, напряженно-деформированное состояние, оседание, смещение.
PREDICTIVE ESTIMATE OF STRESS-STRAIN STATE OF SAFETY PILLAR UNDER AQUIFER
Vasily D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Head of Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-41, e-mail vbar@misd.nsc.ru
Lidia N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
Based on numerical modeling and in situ observations, the authors have made predictive estimate of the stress-strain state in the safety pillar under aquifer in Internatsionaly Ore Mine of ALROSA Co.
Key words: aquifer, safety pillar, stress-strain state, subsidence, displacement.
Для защиты подземных горных выработок от прорыва воды из несдренированного метегеро-ичерского водоносного комплекса (МИВК) (отм. +70м-^-130 м) при отработке подкарьерных запасов рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА» предусмотрено оставление
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ит «АЛРОСА»
Рис. 1. Вертикальное сечение
рудного тела
рудного предохранительного целика (рис. 1). Первоначально граница безопасной глубины ведения очистных работ определена расчетами НТЦ «НОВОТЭК» (г. Белгород) и располагалась на отм. -190 м. В 2005 г. выемкой слоя N20 блока №5 (а.о. кровли слоя: -195м) сформирован рудный целик, фактическая мощность которого составила 65 м. Практически весь блок был отработан в нисходящем порядке. Для обеспечения безопасных условий отработки запасов блока был реализован проект гидрогеомеханического мониторинга [1, 2].
В настоящее время обоснован перенос границы безопасного ведения очистных работ с отм. -190 м на отм. -150 м с последующей отработкой запасов нижней части блока №4, расположенной под этой границей. Вследствие мер по водоотведению подошва водосливного комплекса (подошва МИВК) достигла отметки -97 м.
Целью данной работы является оценка изменения геомеханических параметров рудного предохранительного целика, обеспечивающего безопасные условия отработки месторождения.
Проведены численные расчеты по оценке ожидаемых изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне влияния очистных работ при выемки запасов слоев 8-9 блока №4. Расчеты выполнялись на основе решения плоской задачи теории упругости методом граничных интегральных уравнений с учетом влияния на НДС отработанного и заложенного нижележащего блока № 5. Поскольку расчеты выполнялись в плоской постановке, результаты следует считать оценкой сверху.
Из-за отсутствия экспериментальных данных о напряженном состоянии нетронутого массива параметры естественного поля напряжений приняты следующие: а2° = -уН, ах° = ау° = -А,уН, где а2° - вертикальная, ах° , ау° -горизонтальные компоненты напряжений, у - объемный вес пород, Н -глубина разработки, X - коэффициент бокового распора; из-за доминирующего преобладания галита в составе вмещающих пород принято -Л=1,0. Модуль упругости Е = 10 ГПа, коэффициент Пуассона V = 0.25, угол внутреннего трения ф=30°, сцепление С=1 МПа. В нетронутом массиве на отметках нижней части блока №4 а2° = ау° = ах°= 14 МПа. Предельная величина сдвигающих напряжений рудного массива, превышение которой приводит к неупругому деформированию пород, для условий опытнопромышленного блока (блок №6) рудника «Интернациональный» принята
=4 МПа [3,4].
Г рафики изолиний горизонтальных (стх) и вертикальных (а2) напряжений (рис. 2), а также зон неупругих деформаций под МИВК после отработки и закладки блока №5 приведены для сравнительной оценки изменений НДС вмещающего и породного массивов нижней части блока №4 в процессе отработки слоев 9^8. После доработки нижней части блока №4 в отм. -159 ^ -195 м картина НДС будет аналогична приведенной на рис. 2 (после отработки блока №5) с незначительным уменьшением параметров НДС.
а
б
Рис. 2. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) массива под МИВК после отработки и закладки блока № 5
Отработка слоя 9, а затем и слоя 8, приводит к формированию потолочины, изменение НДС которой отражено на рис. 3,4. Градиент горизонтальных напряжений в центральной части потолочины (-28 -14
МПа после отработки слоя 9) с понижением горных работ в нижней части блока №4 изменяется: -29 ^ -18 МПа после отработки слоев 9^8 (3а, 4а). При этом потолочина остается разгруженной от вертикальных напряжений (см. рис. 3б, 4б).
Рис. 3. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) массива под МИВК после отработки слоя 9 №4
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 20 -100 -80 -60 -40 -20 О 20 40 60 80 100 120
Рис. 4. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) массива под МИВК после отработки слоев 9^8 блока №4
Зона неупругого деформирования, формируемая в кровле блока №4, удалена вглубь массива на глубину до 20 м (рис. 5). После отработки слоев 9 и 8 область неупругого деформирования занимает большую часть потолочины (см. рис. 5б, в). Верхняя граница зоны запредельного деформирования в кровле слоев 9^8 достигает отм. -125 м, что на 28 м ниже отметки подошвы МИВК (-97м).
а б в
Рис. 5. Зоны неупругих деформаций массива в кровле отработанного блока №5: а - после доработки и закладки блока N 5; б - после отработки разрезного слоя 9 блока 4; в - после после отработки слоев 9^8 блока №4
Для анализа смещений массива под МИВК в горизонтальном (их) и вертикальном (Ш) направлениях в процессе отработки нижней части блока №4 приведем графики изолиний, изображенные на рис. 6. На рис. 7 представлены графики оседаний кровли слоя 9 на различных этапах выемки запасов блока №4.
а
б
Рис. 6. Смещения массива (мм) под МИВК в горизонтальном (а, в) и вертикальном (б, г) направлениях после отработки слоя 9 (а,б)
и слоев 9 яблока №4
Максимальные упругие смещения в горизонтальном направлении в кровле слоя 9 относительно оси трубки наблюдаются на фланге и не превосходят 10 мм (рис. 6а). Максимальное упругое оседание кровли слоя 9 произойдет при его отработке и достигает -66 мм (рис. 7). Понижение горных работ приводит к приращению оседаний кровли слоя 9. После полной доработки слоев до блока №5 оседание кровли достигнет -75 мм (рис. 7).
В заключение необходимо отметить следующее. После отработки слоев 9 и 8 область неупругого деформирования занимает большую часть потолочины нижележащей толщи рудного массива. Верхняя граница зоны запредельного неупругого деформирования в кровле слоя 9 (без учета её развития во
Рис. 8. Оседание кровли слоя 9 при отработке слоев 9^8 и полной доработке нижней части блока №4
времени) достигает отм. -125 м, что на 28 м ниже отметки подошвы водосливного комплекса (-97 м).
Максимальное упругое оседание кровли блока №4 в слое 9 при доработке запасов до блока №5 увеличится до 75 мм. Необходимо отметить, что фактические смещения в горизонтальном и вертикальном направлениях будут превышать указанные значения из-за наличия зоны неупругого состояния рудного массива в кровле слоя 9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барышников В.Д., Барышников Д.В. Геомеханический контроль предохранительного целика под водоносным горизонтом / Proceedings of the V-th International Geomechanics Conference 18-21 June 2012, - Publ.: International House of Scientists «Fr.J.Curie», Varna, Bulgaria.
2. Барышников В.Д., Барышников Д.В. Мониторинг сдвижения закладочного массива при слоевой нисходящей системе разработки / материалы VI междунар. конф. «Проблемы и пути инновационного развития горнодобывающей промышленности»: Алматы, Казахстан, 2013.- С 137 - 142.
3. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Развитие экспериментальноаналитического метода оценки устойчивости горных выработок // ФТПРПИ. -Новосибирск. - 2012. - №4.
4. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Влияние частичного затопления карьера «Айхал» на напряженно-деформированное состояние рудной потолочины // ФТПРПИ. - Новосибирск.- 2013. - №4. - С. 23 - 31.
© В. Д. Барышников, Л. Н. Гахова, 2014
