Научная статья на тему 'Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты'

Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
96
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Сосновский Л. И., Павлов А. М., Филонюк В. А., Сосновская Е. Л., Авдеев А. Н.

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

Текст научной работы на тему «Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты»

-------------------------------------- © Л.И. Сосновский, А.М. Павлов,

В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев, Л.Г. Рубцов,

2006

УДК 622.032.4:551.34

Л.И. Сосновский, А.М. Павлов, В.А. Филонюк,

Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев, Л.Г. Рубцов

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАКЛОННЫХ ЖИЛ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Семинар № 2

Яаклонные жилы разрабатываются, в основном, камер-но-столбовой системой разработки [1] и комбинированной системой - камерностолбовой с креплением. При этих системах в блоках остаются надштреко-вые и подштрековые целики, охранные целики восстающих, внутриблоковые столбчатые целики. В случае оставления целиков возникают значительные потери в размере 20-30 %. Происходит значительное накопление подземных пустот, которые создают опасность проявлений обрушений пород кровли, особенно в зонах опорного давления. На проявления горного давления оказывают влияние много факторов: геологическое строение рудных тел и прилегающих вмещающих пород, прочностные и упругие свойства пород и их тектоническая нарушенность, напряженное состояние горного массива, геометрические параметры выработанного пространства и целиков и др. В регионах Крайнего Севера на устойчивость кровли и целиков особое влияние оказывает многолетняя мерзлота. Вопросы определения устойчивых параметров конструктивных элементов систем разработки и управления геомеханическими процессами с учетом всех указанных факторов недостаточно совершенны и тре-

буют корректировки в конкретных гор-ного-геологических и горнотехнических условиях.

Авторы решали указанную проблему на Ирокиндинском золоторудном месторождении республики Бурятии.

В геологическом строении месторождения принимают участие различные по составу интрузивные образования раннего протерозойского возраста Муйского комплекса. Здесь распространены - основные (габбро, габбро-диориты) и кислые (граниты, плагио-граниты) породы, прорванные мелкими телами и дайками габбро-диабазов. Встречаются небольшие останцы гней-со-гранитов. В целом площади преимущественного развития габброидов и гранитоидов имеют сложную зону перехода, которая имеет северо-западное направление.

Месторождение включает серию гидротермальных убого сульфидных золотосодержащих кварцевых жил, которые приурочены к наклонным (30-50°) и весьма протяженным тек-тоническим зонам рассланцевания.

Морфологическими особенностями всех жил являются извилистые очертания в плане и более ровные по падению, отмечаются значительные колебания мощности. Переходы от раздувов к пе-

режимам, как правило, постепенные. Вмещающие породы на контактах изменены: интенсивно окварцованы, пирити-зированы, карбонатизированы, хлорити-зированы и в различной степени рас-сланцованы. Мощность зоны измененных пород колеблется от нескольких сантиметров до 1 м и в редких случаях достигает нескольких метров. Угол падения наклоннозалегающих жил -30-40о.

Ирокиндинское месторождение располагается в пределах геокриологической формации. Многолетнемер-злые породы распространены повсе-местно. Горные породы характеризу-ются следующими физико-механичес-кими свойствами.

Удельный вес изменяется от 2,62 до 3,24 до 324 г/см3, объемный вес - от 2,53 до 3,17 г/см3 . Пористость в зависимости от степени трещинно-ватости и петрографического состава пород колеблется от 0,72 до 0,11 %, при средних значениях для березитов -1,86 %; кварца -2,11 %; парагнейсов-3,09 %; кристаллических сланцев-2,77 %; гранитов-3,56 %; известняков -4,53 %; кварцевых порфи-ров -4,34 %. Водопоглощение составляет 04-0,5 %. Среднее значение предела прочности на одноосное сжатие перпендикулярно полосчатости колеблется от 47,8 МПа (кварцево-серици-тово-хлоритовые сланцы) до 202,7 МПа (ам-фиболитовые парагнейсы и амфиболиты), а параллельно - полосчатые от 81,3 до 215,3 МПа. Среднее значение предела прочности на растяжение изменяется для горных пород от 11,7 МПа (кальци-фиров) до 26,8 МПа (амфиболитовые парагнейсы и амфиболиты).

На основе анализа геологических факторов разработан классификация состояний кровли очистного пространства по категориям устойчивости (табл. 1).

Таблица составлена таким образом, что каждой категории устойчивости соответствуют конкретные характеристики влияющих факторов, хотя в реальных условиях могут быть всевозможные комбинации этих характеристик. Поэтому отнесение конкретного участка к средней или низкой категории устойчивости может определяться даже отдельным фактором. Например, пусть участок находится в переходной зоне и все характеристики влияющих факторов соответствуют категории «устойчивое» а один фактор - мощность рассланцованной зоны в висячем боку жилы - составляет 1 м. В этом случае участок должен классифицироваться как неустойчивый.

Как показали натурные определения методом щелевой разгрузки по методике УрО РАН [1] горизонтальные напряжения горных пород больше вертикальных в 1,2-1,3 раза (табл. 2). Это можно объяснить влиянием мерзлоты.

В процессе исследований произведено математическое моделирование на ПЭВМ напряженно-деформиро-ванного состояния (НДС) кровли камер и над-штрековых и подштрековых целиков при отработке жилы по падению в пределах одного этажа. Моделирование произведено по методике ИГД СО РАН. В качестве граничных условий приняты измеренные напряжения горного массива.

Анализ результатов моделирования позволяет отметить следующее.

Напряжения в наиболее опасных участках контура выработок и камеры имеют сжимающий характер. На стенке откаточного штрека средние напряжения составляют при выемке камеры на глубине 100 м от 15 м до 68 м от -2,3 до -2,5 МПа, на глубине 500 м - от -11,5 до -12,7 МПа.

Таблица 1

Классификация состояний кровли очистного пространства по категориям устойчивости

Естественные геологические условия положения кровли очистного пространства Геологические факторы Категория устойчиво- сти Приме- чание

Мощность рассланцо-ваннойзоны в висячем боку жилы, м Угол наклона осевой поверхности жилы, град. Наличие блоковой тектоники (целостность массива) Мерзлотный режим Состояние естественного висячего контакта жилы

наличие льда в трещинах «сухая» мерзло- та нена- рушен- ное нару- шенное

Естественный свод (купол), вызванный пологим изгибом осевой поверхности рудной жилы (зоны) или увеличением их мощности 0,1-0,2 субгоризон- тальный Нет + - + - Устойчивая При выявлении одного или нескольких отрицательных факторов (знак минус) категория понижается на один ранг.

0,2-0,5 субгоризон- тальный Нет + + + - Средне- устойчивая

0,5-1 и более субгоризон- тальный Нет - + - + Неустойчи- вая

Естественный прогиб (провес) кровли, вызванный пологим изгибом осевой поверхности рудной жилы (зоны) или увеличением их мощности 0,1-0,2 субгоризон- тальный Нет + - + - Устойчивая

0,2-0,5 субгоризон- тальный Крупноблоковая отдельность + + + - Средне- устойчивая

0,5-1 и более субгоризон- тальный мелкоблоковая отдельность - + - + Неустойчи- вая

Переходная зона от естественного свода к естественному прогибу 0,1-0,2 30-50 Нет + - + - Устойчивая

0,2-0,5 20-30 Крупноблоковая отдельность + + + - Средне- устойчивая

0,5-1 и более До 20 мелкоблоковая отдельность - + - + Неустойчи- вая

Таблица 2

Данные натурных измерений напряжений массивов горных пород Ирокиндинского месторождения

Напряжение Глубина разра- ботки Теоретическое напряжение (по гипотезе А. Гейма), МПа Результаты натурных измерений напряжений горных массивов

Число единичных определений напряжения Напряжение, МПа Отношение продольного напряжения к вертикальному °пр/°в Отношение поперечного напряжения к вертикальному Оп/СТв

Вертикальное 200 -5,6 48 -7,4±0,9

Продольное -5,6 24 -9,3±1,4 1,3 1,2

Поперечное -5,6 24 -8,6±1,8

В кровле штрека напряжения изменяются на 100 м от -3,6 МПа до -3,9 МПа, 500 м - от -17,9 МПа до -19,7 МПа. В почве надштрекового целика напряжения составляют соответственно от -2,7 МПа до -3,2 МПа, от -13,4 МПа до -16,0 МПа. В кровле и почве камеры соответственно от -1,6 МПа до -2,3 МПа и от -8,0 МПа до -11,5 МПа. В забое камеры соответственно от -2,2 МПа до -3,5 МПа и от -3,4 МПа до -17,7 МПа. На всех рассмотренных участках напряжения меньше допустимых (-47,8^-222,7 МПа). В целом, кровля находится в устойчивом состоянии.

Наибольшая концентрация напряжений наблюдается в зоне опорного давления очистных камер в углах откаточного штрека и надштрекового целика. Здесь возможны локальные обрушения пород, так как напряжения могут превышать допустимые значения. Аналогичные закономерности имеют геомеханические показатели: интенсивность касательных напряжений, объемная деформация, интенсивность сдвигов, смещения. В прилегающем массиве концентрации напряжений отмечаются в углах выработок, равномерное напряженное состояние в

центральных участках обнажений камеры.

Анализ геологического строения жил показал, что в условиях значительных по площади размеров очистного пространства важную роль будет играть форма поверхности кровли и общая архитектура открытого пространства, которое представляется в виде относительно узкой полого наклонённой и в разной степени искривлённой «щели». Если бы форма кровли этого щелевого пространства была бы идеально плоской, то существовала бы высокая вероятность блокового сдвижения или обрушения выше лежащих пород пол влиянием собственного веса. В условиях данного месторождения и конкретно жилы Ц. Тулуинской, форма кровли открытого пространства является сложно гофрированной поверхностью, обусловленной вариацией мощностей рудного тела и углов наклона поверхности висячего его контакта к горизонту. Осевая поверхность открытого пространства представляет собой полого наклонённый купол. Наличие последовательно осложняющих друг друга локальных разномасштабных изгибов осевой поверхности всей полости придает ей своеобразные разномасштабные «ребра жесткости». Эти рёбра улавливаются по положению на горизонтальной проекции жилы осей локальных купольных струк-

Таблица 3

Шаг крепления крепи выработанного пространст-ва

Категория устойчивости по- Шаг крепи (ширина х длина),

род м

Выемочная мощность 1,2 м

Устойчивые 4,0х4,0

Средней устойчивости 3,0х3,0

Неустойчивые 2,0х2,0

Выемочная мощность 2,0 м

Устойчивые 3,5х3,5

Средней устойчивости 2,0х2,0

Неустойчивые 1,5х1,5

Выемочная мощность 3,0 м

Устойчивые 3,0х3,0

Средней устойчивости 1,5х1,5

Неустойчивые 1,0х1,0

тур и провесов осевой поверхности всей полости. Как правило, эти «рёбра» вытянуты по падению рудного тела и располагаются кулисообразно, образуя сопряжённые в масштабах, последовательно усложняющие друг друга системы мелких куполов и провесов осевой поверхности полости открытого пространства. Размеры наиболее значимых для обеспечения устойчивости куполов и провесов по длине составляют 60-150 м и средней периодичностью по простиранию рудного тела 60-90 м.

Было принято решение о выемке внутриблоковых целиков. Устойчивость выработанного пространства было решено поддерживать креплением деревянными стойками и гидравлическими стойками БЬБЯОС ОМ№ 80. Давление на крепь рассчитывалось от возможного отслоения рас-сланцованных пород непосредственной кровли высотой 1 м. Высота слоя установлена геолого-

маркшейдерскими замерами вывалов пород, оценкой зон рассланцевания, изменения температуры мерзлых пород от влияния горных работ и учетом других факторов.

На основе расчетной величины горного давления от давления возможно отслаиваемых пород определен шаг крепи выработанного пространства (табл. 3).

Так как площади обнажения выработанных пространств при отработке жил достаточно велики, произведена оценка опасности воздушного потока для людей при возможных проявлениях обрушений пород по методикам [2,3]. Допустимые площади обнажения кровли при выемочной мощности жилы 1,2 м составили 8,5 тыс. м2, 2,0 м -16,2 тыс. м2, 3,0 - 24,8 тыс. м2. При достижении таких площадей необходимо подземные пустоты локализовывать [2, 3].

В качестве локализующих перемы-чек приняты бутовые

Площадь отбиваемой породы для создания бутовой полосы

полосы шириной не менее 2 м. Бутовая полоса возводится буровзрывным способом, путем заполнения очистного пространства породой, отбитой мелкошпуровым способом из лежачего и висячего боков очистного пространства.

Бурение шпуров производится перфораторами ПП-63 с горизонта вентиляционного штрека. По кровле выработки со стороны висячего бока обуриваются три шпура, со стороны лежачего бока, по почве обуриваются два шпура (рисунок).

В 2005 году произведена выемка внутриблоковых, надштрековых и под-штрековых целиков при отработке блоков 2-С1-2,3,4,5 жилы «Централь-но-Тулуинская» с креплением деревянными стойками и локализацией выработанного пространства бутовой полосой. Добыто из потерь значительное количество руды в целиках.

1. Технология разработки золоторудных месторождений / Неганов В.П.. Коваленко В.И., Зайцев Б.М., Л.И. Сосновский и др. Под ред. Неганова В.11,- М.: Недра, 1995. - 336 с.

2. Именитов В.Р., Абрамов В.Ф., Попов В.В. Локализация пустот при подземной

Снижены затраты на крепление (отказ от костровой крепи). Длина выработанного пространства по падению составила 100-140 м, по простиранию -200 м, общая площадь погашения пустот

- 33 000 м2. Инструментальные измерения напряжения и деформаций пород в зоне опорного давления показали устойчивое состояние кровли и целиков.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность управления геомеханическими процессами при отработке наклонных жил в зоне многолетнемерзлых пород локализацией подземных пустот бутовыми полосами создаваемых подрывом пород висячего и лежачего боков жилы. При этом представляется возможность выемки внут-риблоковых целиков, надштрековых и подштрековых целиков, и, в конечном итоге, значительно снизить потери полезного ископаемого в недрах.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

добычи руды. - М.: Недра, 1983. - 188 с.

3. Руководство по определению безопасных объемов пустот, выбору и расчет изолирующих сооружений при подземной разработке рудных месторождений Киргизии.

- Фрунзе: Илим, 1976. - 52 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Сосновский Л.И. - доцент кафедры РМПИ, кандидат технических наук,

ПавловА.М. - технический директор ОАО «Бурятзолото»,

Филонюк В.А.- заведующий кафедрой геологической съемки, поисков и разведки МПИ, доктор геолого-минералогических наук,

Сосновская Е.Л. - старший преподаватель кафедры общеобразовательных дисциплин, кандидат геолого-минералогических наук,

Авдеев А.Н. - доцент кафедры ГМ, кандидат технических наук,

Рубцов Л.Г. - доцент кафедры РМПИ, кандидат технических наук,

Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.