CC BY
32
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.831.1/3
ВАРИАНТЫ БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПРИ РАСКОНСЕРВАЦИИ РУДНИКА «УМБОЗЕРО»*
С. Н. Савченко, А. В. Ловчиков
ФГБУН Горный институт Кольского научного центра РАН
Аннотация
Рудник «Умбозеро» законсервирован вскоре после сильнейшего техногенного землетрясения (17.08.1999 г., ML = 5.1), разрушившего рудник, а в 2009 г. затоплен. В связи с дефицитом редкометалльного сырья в России возможна расконсервация рудника. Рассматривается напряженное состояние пород вокруг очистных выработок рудника при выемке двух сближенных залежей в высоко тектонически напряженном массиве. Одновременная выемка залежей чревата опасностью горных ударов. Методами численного моделирования исследовано влияние порядка отработки залежей на напряженное состояние пород и их удароопасность. Проанализировано влияние на удароопасность защитных мероприятий и закладки выработанного пространства. Ключевые слова:
сближенные залежи, гравитационно-тектонические напряжения, междупластье, удароопасность, разгрузка, закладка.
THE UMBOZERO MINE REACTIVATION: VARIANTS OF SAFE MINING OF ADJACENT ORE BODIES
Stepan N. Savchenko, Aleksandr V. Lovchikov
Mining Institute of the KSC of the RAS
Abstract
Soon after the strongest mining-induced earthquake (17.08.1999, ML = 5.1) had destroyed the Umbozero mine, it was closed and flooded in 2009. However, the mine may be reactivated because of lack of rare-metal raw materials in Russia. The paper examines stress state of rocks around stope excavations when two adjacent ore bodies are mined in the highly stressed rock mass. Concurrent excavation of the both ore bodies is fraught with rock bursting. Numerical modeling methods were used to research impact of the bodies mining order on the stress state of rocks and the rock burst hazard. Influence of protective measures and mined space backfilling was analyzed on rock burst hazard.
Keywords:
adjacent ore bodies, gravity-tectonic stresses, interbed, rock burst hazard, unloading backfilling.
Рудник «Умбозеро» законсервирован в 2004 г., а в 2009 - затоплен по экономическим соображениям. Одной из основных причин консервации рудника следует считать то обстоятельство, что он не восстановился полностью после разрушительного техногенного землетрясения (горно-тектонического удара) 17.08.1999 г. (ML = 5.1). В результате горно-тектонического удара в массиве рудника образовалась наклонная трещина (плоскость сдвига) от междупластья двух залежей,
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-05-04323.
разрабатываемых рудником, до дневной поверхности, расположенной под углом 40° к горизонту. Горные выработки нижней залежи в результате были разрушены на площади 650 тыс. м2 [1].
Причиной горно-тектонического удара послужила надработка верхней рудной залежью мощностью 5.5 м отработанного пространства нижней залежи мощностью 2.5 м, располагаемого на 60 м ниже по вертикали от верхней залежи под действием больших гравитационно-тектонических напряжений, существующих в массиве [2]. Схема распределения напряжений вокруг выработок обеих залежей и трещины сдвига приведена на рис. 1.
Рис. 1. Распределение напряжений Ст1 в поперечном сечении шахтного поля рудника «Умбозеро» перед горнотектоническим ударом по результатам математического моделирования: 1 - напряжения сжатия; 2 - напряжения растяжения
При отработке свиты рудных залежей в горном деле сначала отрабатывается верхняя залежь, затем следующая по порядку от верхней и т. д. На руднике «Умбозеро» первоначальная отработка нижней залежи была вынужденной, поскольку верхняя залежь к началу эксплуатации рудника считалась некондиционной и не предполагалась к разработке. Тем не менее интересно рассмотреть, как менялось бы напряженное состояние пород вокруг выработок, если бы первоначально отрабатывалась верхняя залежь? Задача решалась методом граничных элементов в плоской (двухмерной) постановке. Схема решения задачи представлена на рис. 2.
Авторы настоящей статьи предполагают, что в массиве горных пород действуют гравитационное поле напряжений (сту = уH, стx = A/уH) и горизонтальные тектонические напряжения Tx = -50 МПа. Массив горных пород представлен разновидностями, имеющими следующие характеристики: предел прочности при одноосном сжатии [стс] = -200 МПа, при растяжении [стр] = 10 МПа, модуль Юнга Е = 5104 МПа, коэффициент Пуассона V = 0.25. Пороговые величины удельной энергии деформирования от действия сжимающих напряжений [м'с] = 0.4-106 Дж/м3, а при растяжении ^р] = 0.4-104 Дж/м3. Следовательно, величины сжимающих напряжений, концентрация которых в окрестности выработок достигает значений ст2 « (100-150) МПа, не вызовут существенных опасений. Другая компонента главных напряжений Ст1, изменяющаяся в окрестности выработок до 10-15 МПа, будет наиболее опасной.
Сначала исследовалось напряженное состояние пород вокруг выработок при отработке четырех камер верхней залежи (рис. 1). Последовательность изменения наиболее опасных напряжений ст1 вокруг камер при изменении их числа (ширина камер - 20 м, высота - 5.5 м, ширина целиков - 10 м) от одной до четырех показана на рис. 3.
Рис. 2. Схема расчетной модели и граничные условия, действующие в массиве горных пород
Рис. 3. Распределение наименьших напряжений Ст1 при отработке камер верхней залежи: а - одной; б - двух; в - трех; г - четырех камер
Растягивающие (пунктирные изолинии) напряжения ст1 располагаются в массиве почвы и кровли камеры (рис. 3). Их величина достигает ст1 = 10 МПа, т. е. предельных значений. Линейные размеры зон, где действуют растягивающие напряжения (до изолинии ст1 = 0), равны 2-2.5 /, где / - длина камеры. Направление действия растягивающих напряжений параллельно границе камеры. Следовательно, трещины, возникающие при этом, будут направлены в кровле и почве камер почти вертикально. Очевидно, что их распространение (рост) в массив опасно.
Дальнейшая отработка верхней залежи двумя, тремя, четырьмя камерами (рис. 3 б, в, г) сохраняет ту же тенденцию:
• в почве и кровле ст1 растягивающие;
• величина растягивающих ст1 в почве первой камеры увеличилась до ст1 = 15 МПа, а линейный размер зоны, где действуют растягивающие ст1 в кровле нижних камер, достигает почти дневной поверхности;
• в массивах целиков ст1 сжимающие и не превышают (30-40) МПа;
• увеличиваются значения сжимающих напряжений а1 в верхней части кровли первой камеры.
Увеличение растягивающих напряжений ст1 в почве первой и кровле нижней камер
вызывает опасение возникновения разрушения пород. Однако в целом отработка верхней залежи безопасна, за исключением локальных участков в кровле и почве отдельных камер.
В условиях рудника «Умбозеро» продуктивными являются две сближенные залежи, обе из которых следует отрабатывать. Поскольку массив, в котором расположены залежи, тектонически высоконапряженный, целесообразно рассмотреть, в каком порядке следует отрабатывать залежи. На рис. 4 представлена картина распределения напряжений а1 для случая, когда после отработки верхней залежи отработана одна камера на нижней залежи с геометрическими параметрами, применяемыми на руднике (рис. 1).
Рис. 4. Изолинии распределения главного напряжения Ст1 при отработке четырех камер верхней залежи и одной камеры нижней залежи
При возникновении растягивающих напряжений ст1 во всей прослойке между верхней и нижней залежами (рис. 4), в почвах первой верхней камеры и нижней (в левой части) ст1 = 20 Мпа. Над камерами верхней залежи растягивающие напряжения распространяются до дневной поверхности. Иначе говоря, возникает геомеханическая ситуация, которая предшествовала техногенному землетрясению 17.08.1999 г. Следовательно, такой порядок
отработки сближенных залежей (сначала верхняя, а затем нижняя) менее эффективен в случае добычи руды до землетрясения.
Одновременная отработка верхней и нижней залежей приводит к возникновению ударной ситуации еще раньше. Изолинии ст1 в случае одновременной отработки камер на верхней и нижней залежах показаны на рис. 5. Здесь удароопасная ситуация прослеживается сразу: высокие значения ст1 > 10 МПа в левой части отработок, линейные размеры зоны растягивающих напряжений аналогичны предыдущему случаю.
Таким образом, анализ рассматриваемых выше двух случаев отработки сближенных залежей показывает их неэффективность.
Во избежание горных ударов в высоконапряженных массивах используется способ разгрузки концентрации напряжений при помощи разгрузочных щелей, которые создаются рядами близко расположенных друг к другу скважин, либо посредством камуфлетного взрывания зарядов ВВ в рядах скважин [3]. Предположим, что разгрузочная вертикальная щель длиной 30 м образована в нижней части кровли нижней камеры.
Рис. 5. Изолинии распределения главного напряжения Ст1 при совместной отработке одной камеры верхней залежи и одной камеры нижней залежи
Показан характер распределения напряжений ст1 при отработке камер в верхней и нижней залежах с образованием разгрузочной щели в нижней части кровли камеры нижней залежи (рис. 6). Сравнивая рис. 5 и 6, убеждаемся, что вариант с образованием разгрузочной щели в значительной мере улучшает состояние пород над кровлей верхней залежи. Здесь область действия растягивающих напряжений ст1 имеет размеры 90 х 40 м по сравнению с 140 х 70 м для отработки без щели. При этом расстояние от линии ст1 = 0 до дневной поверхности в вертикальном направлении составляет 80 м.
Однако отработка второй камеры в верхней залежи (рис. 7) приводит к увеличению зоны растягивающих напряжений ст1 до прежних размеров: 130 х 60 м .
Если отработать в нижней залежи вторую камеру с вертикальной разгрузочной щелью, оставив в верхней залежи одну камеру (рис. 8 а), то напряженное состояние пород в кровле этой камеры практически останется таким же, как и в случае отработки одиночных камер в верхней и нижней залежах (рис. 5). Разработка второй камеры в верхней залежи приводит к образованию растягивающих напряжений ст1 в области 150 х 60 м (рис. 8 б), и расстояние от линии ст1 = 0 до дневной поверхности уменьшается до 40 м.
Рис. 6. Распределение главного напряжения Ст1 при совместной отработке камер верхней и нижней залежей с образованием разгрузочной щели в нижней части кровли камеры нижней залежи
Рис. 7. Распределение главного напряжения Ст1 при совместной отработке двух камер в верхней и одной в нижней залежи с образованием разгрузочной щели в нижней части кровли камеры нижней залежи
Таким образом, совместная отработка верхней и нижней залежей даже с образованием вертикальных разгрузочных щелей в кровле нижних камер приводит к удароопасной ситуации.
Одним из распространенных способов влияния на напряженно-деформированное состояние пород вокруг выработок является закладка пустот выработанного пространства. Характер распределения напряжений ст1 при отработке двух камер нижней залежи (без разгрузочной щели) и четырех камер в верхней залежи с закладкой выработанного пространства показан на рис. 9. Здесь величина зоны растягивающих напряжений определяется механическими свойствами закладочного материала. Случай закладки камер разрушенными пустыми породами (модуль Юнга Eз = 5-103 МПа, коэффициент Пуассона уз = 0.3), где размер зоны растягивающих напряжений ст1 составляет 130 х 90 м2 (см. рис. 9). При этом расстояние от линии ст1 = 0 до дневной поверхности равно 70 м, а величины растягивающих напряжений ст1
не превышают 2.5 МПа. В породах между залежами и в отработанном пространстве действуют сжимающие напряжения а1, а растягивающие ст1 формируются в левой части почвы первой камеры и правой части кровли второй камеры нижней залежи. Таким образом, закладка выработанного пространства верхней залежи является наиболее безопасным способом выемки двух залежей.
Рис. 8. Распределение главного напряжения Ст1 при совместной отработке камер:
а - верхней (одна выработка) и нижней залежей (две выработки); б - верхней (две выработки) и нижней залежей (две выработки) с образованием разгрузочных щелей в нижней части кровли камер нижней залежи
В настоящее время ввиду дефицита в России редкометалльного сырья, единственным поставщиком которого является рудник «Карнасурт», может быть поставлен вопрос о расконсервации рудника «Умбозеро». Откачать воду из рудника при современной высокопроизводительной насосной технике не представляет затруднений. Однако после откачки воды уровень геодинамической опасности выработок рудника все равно останется высоким [1]. При возобновлении горных работ на руднике для создания безопасных условий выемки двух залежей, как показывают результаты численного моделирования, в первую очередь необходимо выполнить закладку камер верхней залежи разрыхленными породами. После этого выемку нижней залежи и верхней (с закладкой) можно выполнять безопасно по условиям удароопасности.
Из приведенного анализа численного исследования напряженного состояния пород можно сделать следующие выводы:
1) напряженное состояние горных пород в кровле камер при совместной отработке двух сближенных залежей на руднике «Умбозеро» наиболее безопасно при возведении закладки выработанного пространства камер верхней залежи;
2) при расконсервации рудника для создания условий, не опасных по фактору горных ударов, необходимо осуществлять последовательную закладку выработок верхней залежи;
3) порядок отработки сближенных залежей при имеющихся геометрических параметрах отработки не имеет значения, так как в любом случае приводит к удароопасной ситуации. Снижения удароопасности можно добиться только за счет существенного изменения размеров камер и целиков.
а
б
Выводы
Рис. 9. Распределение главного напряжения ст1 при совместной отработке четырех камер в верхней залежи и закладкой их выработок и двумя камерами в нижней залежи без образования разгрузочных щелей
ЛИТЕРАТУРА
1. Ловчиков А. В., Савченко С. Н. Оценка последствий затопления рудника «Умбозеро» // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды XX Всероссийской научной конференции. Новосибирск, 2013. С. 331-336. 2. Савченко С. Н., Ловчиков А. В., Козырев А. А. Ретроспективный анализ очага техногенного землетрясения на руднике «Умбозеро» 17.08.1999 г. // Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика. Апатиты, 2004, С. 170-179. 3. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах / А. А. Козырев [и др.]. Апатиты: КНЦ РАН, 1996. Ч. 2. 162 с.
Сведения об авторах
Савченко Степан Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Горного института Кольского научного центра РАН; e-mail: trout@goi.kolasc.net.ru
Ловчиков Александр Васильевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГБУН Горного института Кольского научного центра РАН; e-mail: vocson@goi.kolasc.net.ru
Information about the authors
Stepan N. Savchenko - Dr.Sci. (Eng.), leading researcher of the Mining Institute of the KSC of the RAS; e-mail: trout@goi.kolasc.net.ru
Aleksandr V. Lovchikov- Dr.Sci. (Eng.), chief researcher of the Mining Institute of the KSC of the RAS; e-mail: vocson@goi.kolasc.net.ru
Библиографическое описание статьи
Савченко С. Н. Варианты безопасной отработки сближенных залежей при расконсервации рудника «Умбозеро» / С. Н. Савченко, А. В. Ловчиков // Вестник Кольского научного центра РАН. - 2016. - № 1. - С. 44-51.
Bibliographic Description
Stepan N. Savchenko, Aleksandr V. Lovchikov. The Umbozero Mine Reactivation: Variants of Safe Mining of Adjacent Ore Bodies. Herald of the Kola Science Centre of the RAS. 2016, vol. 1, pp. 44-51.
