CC BY
28
- © С.М. Смирнов, Б.Б. Татарников,
А.Н. Александров, 2014
УДК 622.831.325
С.М. Смирнов, Б.Б. Татарников, А.Н. Александров
ВЛИЯНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ РУДНОГО УЧАСТКА НА ТЕХНОЛОГИЮ ОЧИСТНЫХ РАБОТ С ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
Проведены исследования геомеханического состояния массива горных пород на участках в охранных целиках при выемке блоков с закладкой камер. На Ташта-гольском месторождении предложен порядок отработки камер без и с закладкой выработанного пространства и дана оценка по распределению зон концентрации напряжений и неупругих деформаций во вмещающем массиве. Установлены особенности возникновения толчков с различной энергией в районе камер и блоков. Ключевые слова: месторождение, закладка, напряжения, камеры, динамические явления.
В соответствии с проектом вскрытия и отработки Таштаголь-ского месторождения выемка запасов руды Северной части участка Восточного и Северо-Западного участка на глубинах 610^750 м и более, находящихся в охранных целиках, осуществляется этажно-камерной системой разработки с твердеющей закладкой (рис. 1). Ширина камер колеблется от 12 до 13,5 м. Длина камер 27-38 м. Отбойку руды в камерах производится на отрезные щели, образованные взрыванием одиночных скважинных зарядов на восстающую выработку. Показатели по блоку № 01, расположенному в северной части Восточного участка представлены в таблице.
С применением метода математического моделирования, разработанного в ИГД СО РАН [1, 2], выполнена оценка напряженного состояния массива горных пород в окрестности отрабатываемых камер с последующей закладкой твердеющей смесью в блоках № 01 и №№ 15 и 14 в предохранительных целиках. С учетом коэффициента структурного ослабления сцепление массива См = С • k. Зоны массива, в которых рассчитан-
ные сдвигающие напряжения превосходят сцепление массива (ст5 > См), являются зонами возможного неупругого деформирования (возможного разрушения). В условиях вариантной информации о породах налегающего массива зоны неупругого деформирования представляются для возможных максимальных и минимальных значений сцепления массива. Т.к. сцепление массива изменяется в пределах 3^20 (в образцах 5^65), с учетом коэффициента структурного ослабления минимальное значение См = 0,5; максимальное См = 4 (с учетом значений в образцах - См = 10). В рисунках зоны неупругого деформирования приводятся для ст5 > 0,5 МПа -зоны неупругих деформаций слабых пород, и для ст5 > 10 МПа - зоны неупругих деформаций крепких пород.
Рис. 2 отражает напряженное состояние массива в зоне ранее сформированного очистного пространства, характеризующегося разгрузкой массива как в горизонтальном (рис. 2, а), так и в вертикальном (рис. 2, б) направлениях вблизи очистного пространства; исключение - верхний угол отработанной камеры вблизи уступа
Ствол
"Н-Капитальный"
Ствол "Южный"
Ствол "Сибиряк"
Рис. 1. Схема расположения рудных участков и блоков на Таштагольском месторождении +502,45н-490 м - горизонты; 04,5н-0,75 - диаметр; Бл. 33 - номер блока
Наименование Ед. изм. Камера № 1 Камера № 2 Камера № 3 Камера № 4 Камера № 5 ИТОГО по блоку № 01
Балансовые запасы в контурах отработки тыс.т 59,4 76,1 70,5 74,6 49,2 329,8
Содержание Ре в балансовых запасах % 51,7 55,5 55,2 55,9 55,5 54,8
Сырая руда, подлежащая выпуску т.т. 64,1 75,3 74,1 73,8 54,9 342,22
Содержание Ре в сырой руде % 43,8 55,5 49,9 55,9 45,4 49,6
Объем обрушаемой горной массы м3 16 555 17 159,8 17 524 16 860,2 14 573,65 82 672,65
Потери % 8,6 4,6 5,0 4,7 8,7 6,0
Засорение % 18,2 0,0 9,6 0,0 20,9 9,5
Объем нарезных работ м3 4259
Удельный расход нарезных работ на 1000 т рудной массы м 3,44
Количество ВДПУ-4ТМ штук 2 2 2 2 2 10
Количество ВВ на подсечку кг 1152,6 3396,6 1152,6 3396,6 1152,6 10251
Количество ВВ на образование отрезной щели кг 6821,25 6128,5 7730,75 6128,5 5002,25 31811,25
Количество ВВ на обрушение камеры кг 28 946,8 35 236,8 31 343,8 35 236,8 26 341,5 157106
Общее количество ВВ кг 36 920,6 44 761,9 40 227,1 44 761,9 32 496,4 199 167,75
Коэффициент разрыхления 1,34 1,29 1,27 1,30 1,29
Общий объем бурения глубоких скважин м 4369,5 5422 4828,5 5422 3888 20502
Удельный расход ВВ на первичную отбойку кг/т 0,549 0,555 0,545 0,568 0,549 0,554
Выход руды с 1 м скважины т/м 14,82 14,42 14,70 14,08 14,56 14,24
отработанного пространства и нижний угол, удаленный вглубь массива: здесь наблюдается концентрация напряжений как горизонтальных (ст^, так и вертикальных (стх). В верхнем углу ст - до 30 МПа, ст - до 50 МПа. В по-
у ' X
толочине камеры - разгрузка от действия как горизонтальных, так и верти-
кальных напряжений (за счет влияния ранее отработанного пространства). Здесь формируется зона неупругих деформаций, распространяющаяся даже для крепких пород от кровли камеры до уступа выработанного пространства (рис. 3). В слабых и нарушенных породах зона неупругих деформаций
Рис. 2. Вертикальный разрез: горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа)
Рис. 3. Вертикальный разрез. Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства: I - для малопрочных пород, II - для прочных пород. ХУ2 - локальная система координат
охватывает весь массив в окрестности камеры. Закладка (отсыпка) камеры до середины ее вертикального размера (рис. 3, 5) не приводит к значительным изменениям напряженного состояния в нижней чести камеры. В то же время, в потолочине камеры область действия растягивающих напряжений, как и зона неупругих деформаций, несколько увеличивается (рис. 5).
Рис. 6-9 в плане отражают напряженное состояние массива в окрестности последовательно отрабатываемых камер. Здесь стх - напряжения в направлении вкрест простирания
камер; ст
в направлении по про-
стиранию камер. Анализ НДС при последовательной отработке камер свидетельствует о следующем:
• при отработке одиночной камеры в ее торцах - концентрация напряжений стх, однако они не превышают предел прочности на сжатие (рис. 7);
• после отработки целика между камерами 1, 2 в массиве вблизи камер со стороны ранее отработанного пространства область неупругих дефор-
маций в слабых породах удалена на расстояние до 6 м; в то же время, вблизи борта камеры 2 область неупругих деформаций незначительна, т.е. прирезка следующей камеры 4 (рис. 8, 9) будем проходить в благоприятных условиях;
• после отработки всех 4 камер область неупругих деформаций со стороны ранее отработанного пространства достигает в слабых породах 7-8 м; со стороны нетронутого массива область неупругих деформаций ограничивается 3-4 м.
Отработка Северо-Западного участка в этаже (-210)-(-140) м начинается с наиболее мощного участка рудного тела. Исследован порядок выемки запасов руды следующий: камера 1 (блок № 13), камера 2 (блок № 14), камера 1 (блок № 14) (рис. 10).
При моделировании были приняты следующие механические свойства рудного тела и вмещающих пород: модуль Юнга Е руды - 85 000 МПа, вмещающих пород - 70 000 МПа; коэффициент Пуассона V руды - 0,25, вмещающих пород - 0,2. Удельный вес пород принят равным 0,028 МН/м3.
Было рассмотрено двухмерное поле напряжений для вертикального сечения массива, изображенного на рис. 10. Исходное напряженное состояние, согласно экспериментальным данным, имеет следующие параметры: вертикальное напряжение сту0 = уН, где у - удельный вес налегающих пород; Н - расстояние от земной поверхности; горизонтальное напряжение Стх0 = 1,5уН.
На рис. 11-12 приведены некоторые компоненты поля напряжений после отработки камеры 2 блока № 13.
Рис. 4. Вертикальный разрез, камеры заложены до половины: горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа)
Рис. 5. Вертикальный разрез. Камеры заложены до половины. Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства: I - для малопрочных пород, II - для прочных пород
Основные особенности их распределения заключаются в следующем:
а) в кровле и почве отработанной камеры формируются зоны концентрации горизонтальных (рис. 11), вто-
рого главного (рис. 12) и максимальных касательных напряжений;
б) в бортах выработанного пространства возможно образование зон действия растягивающих напряжений;
в) уровень растягивающих и сжимающих напряжений ниже соответствующих пределов прочности горных пород.
На рис. 13-14 показаны изолинии полей напряжений при отработке трех камер: второй в блоке № 13; первой в блоке № 12 и второй в блоке № 14. Отработка камеры 2 в блоке № 14 приводит к перераспределению полей напряжений в окружающем ее массиве:
а) в области расположения камеры 1 блока № 14 появляются зоны действия растягивающих напряжений (рис. 13);
Рис. 6. План горизонта (-70 м). Напряжения (МПа) стг (а) и стх (б). 1 - номер отработанной камеры
б) в почве камеры 2 блока № 14 формируются области концентрации максимальных касательных напряжений (рис. 14);
в) в крове камеры 2 блока № 14 концентрации сжимающих и максимальных касательных напряжений не возникает;
г) отработка камеры 2 блока № 14 снижает концентрацию сжимающих и максимальных касательных напряжений в почве образованных ранее выработок (камера 2 блока № 13).
Таким образом, отработка камер в блоках №№ 13, 14 в этаже (-210) (-140) м с последующей закладкой твердеющей смесью не способствует увеличению предела прочности горных пород. Выявлено, что зоны главных сжимающих напряжений формируются от камер на расстояниях от 100 до 200 м и более.
Рис. 7. План горизонта (-70 м) в плоскости XY. Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства: I - для малопрочных пород. 1 - номер отработанной камеры
Проведены исследования геодинамической обстановки при отработке камеры 2 в блоке № 14 на Северо-
Рис. 9. План горизонта (-70 м). Зоны неупругих деформаций в области влияния очистного пространства: I - для малопрочных пород. 1-4 - последовательность отработки камер
Западном участке. При отработке камеры 2 в блоке № 14 происходили толчки с энергетическим классом от 2,0 до 6,54 (максимальный толчок зарегистрирован после одновременных взрывов по блокам №№ 7 и 12). Толчки с классом 2 произошли в основном вокруг блока № 14 на отметках -140^-290 м и частично в ортах 4 и 5 (рис. 15).
На рис. 16 представлен график распределения толчков на Северо-Западном участке за период с февраля по ноябрь 2012 г. Особенно высокая активность наблюдалась в конце апреля и связана с проведением взрывных работ. Активизация геодинамических процессов с изменением электросопротивле-
орт № 11 орт № 12 орт № 13 орт № 14
Рис. 10. Расположение камер в блоках: 1 - камера 2 блока № 13; 2 - камера 1 блока № 12 и камера 2 блока № 14; 3 - камера 1 блока № 13; 4 - камера 1 блока № 14; 5 - камера 2 блока № 12
Рис. 11. Характер распределения в массиве горных пород горизонтального напряжения стх после отработки камеры 2 блока № 13
Рис. 12. Характер распределения в массиве горных пород второго главного напряжения ст2 после отработки камеры 2 блока № 132
ния в массиве происходит в моменты перераспределения напряжений после взрывных работ по оформлению камеры; период закладки камеры в некоторой степени стабилизирует обстановку.
Оценка состояния горных пород при выемке камеры в блоке № 01 на Юго-Восточном участке показало, что электрометрический коэффициент
в целом не изменяется с началом отработки камеры в блоке; снижение электросопротивления наблюдается при выпуске руды (рис. 17).
После технологического взрыва 9.09.2012 г. произошли толчки с энергетическим классом от 1 до 6 в этажах (-210)^(-70) м. С классом 6 толчок зарегистрирован на сопряжении ортов № 1 и № 01 (рис. 18).
Рис. 13. Характер распределения в массиве горных пород первого главного напряжения ст1 после отработки камеры 2 блока № 113
Рис. 14. Характер распределения в массиве горных пород максимальных касательных напряжений т после от-
г max
работки камеры 2 блока № 13 и камеры 2 блока № 14
13550
12350
10600
10700
10800
-\-
10900
Рис. 15, а. Распределение толчков с различным энергетическим классом в районе блока № 14 на Северо-западном участке
в плане-, -140-^-350 - горизонты в шахте; 10б00н-10900 и 12350н-12650 - координаты х и у
а) 12650
12450
Рис. 15, б. Распределение толчков с различным энергетическим классом в районе блока № 14 на Северо-западном участке по вертикали; -140^-350 - горизонты в шахте; 10600^10900 и 12350^12650 - координаты х и у
В период с августа по ноябрь 2012 г. на гор. -70 м вокруг закладываемой камеры отмечены толчки в районе ортов №№ 04-5, т.е. на расстояниях 80-110 м от камеры (рис. 19). Следует отметить, что массив горных пород вокруг камеры сильно растрескан, закладываемая камера почти сбилась с рядом расположенной «камерой».
Дана оценка состояния вмещающего массива горных пород в районе отрабатываемых камер в блоках на Восточном и Северо-Западном участ-
ках Таштагольского месторождения и получены следующие результаты:
• отработка камер с последующей закладкой выработанного пространства в боках №№ 13 и 14 не соответствует увеличению напряжений в массиве до предела прочности горных пород, при этом зоны главных сжимающих напряжений располагаются от камер на расстоянии от 100 до 200 м во вмещающем массиве;
• установлено, что активизация геодинамических процессов в районе
Рис. 16. Распределение толчков на Северо-Западном участке с февраля по ноябрь 2012 г.
камеры в блоке № 14 на СевероЗападном участке происходит при взрывных работах; период закладки камер твердеющей смесью стабилизирует обстановку;
• установлено, что при отработке первой камеры в блоке № 01 в этаже (-140)-(70) м в предохранительном целике массива в районе потолочины и вблизи уступа выработанного пространства наблюдается концентрация горизонтальных и вертикальных на-
пряжений от -30 до -50 МПа и зон неупругих деформаций. Закладка камеры до середины ее вертикального размера не приводит к значительным изменениям напряженного состояния в нижней части камеры; при отработке одиночной камеры концентрация напряжений стх в ее торцах не превышает предела прочности на сжатие и зоны неупругих деформаций распространяются на 2-3 м; отработка следующей камеры через целик
14 1011 13.11-11 (3.1211 12.1.12 11.2.12 12 112 11.4.12 115,12 10.« 12 10712 39.12 89.12
А«м
Рис. 17. Изменение электрометрического коэффициента (Кр) в процессе отработки камеры
12600
12500
12400
12700
11000
11100 11200 11300
б)
-70
-140
-210
-280
разрез по оси У
J_I_I_
++ ¿г
V +*
»•о*.
Класс + 1 до 2
• 2 до 3
▲ 3 до 4
О 4 до 5
^ 5 до 6
Рис. 18. Распределение толчков в районе блока № 01 при отработке камеры, а) - в плане; б) - по вертикали
а)
б)
Класс толчка ♦ 0 № 2 ♦ 2 Ю 3
3 Ю 4
4 Ю 5
5 Ю 6
11200 11300
12550Н
125004
124604
124004
12350 11100
Рис. 19.
- в плане; б) - по вертикали
ноябрь 2012 г.
Распределение толчков в районе блока № 01 за период с августа по ноябрь-, а)
126504
126004
—I-
11150
-1-
11200
-1-
11250
—I— 11300
—I— 11350
-1-
11400
11450
приводит к формированию в целике сжимающих напряжений, направленных по простиранию камер; после отработки целика между предыдущими двумя камерами область неупругих деформаций со стороны ранее выработанного пространства удаляется на расстояние до 6 м; после отработки всех 4-х камер область неупругих деформаций достигает 3-4 и 7 м;
• выявлено, что в процессе выемки камеры в блоке № 01 в предохранительном целике происходят толчки с энергетическим классом от 1 до 6 на расстояниях от камеры 80^110 м, при этом наблюдается активация раскрытия трещин в массиве горных пород. Отмечено снижение электросопротивления в горных породах при выемке руды.
1. Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. - Новосибирск: Наука, 2005. -264 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure / Geoecology and Computers. - Moscow: Balkema, 2000. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Смирнов Сергей Михайлович - кандидат технических наук, главный инженер, ООО «ВостНИГРИ»;
Татарников Борис Борисович - аспирант, Александров Артем Николаевич - научный сотрудник, Институт горного дела Сибирского отделения РАН.
UDC 622.831.325
INFLUENCE OF THE CURRENT GEODYNAMIC MINING SITUATION ON STOPING-AND-BACKFILLING OPERATIONS
Smirnov S.M., Candidate of Technical Sciences, Chief Engineer, VostNlGRI LLC,
Tatarnikov B.B., Graduate Student, Aleksandrov A.N., Researcher,
Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.
The studies cover the geomechanical rock mass state evaluation at protective pillar areas in the block mining with the chamber backfilling. The process for chamber mining with/without a stowing is proposed. The distribution of stress concentration and inelastic strain zones in a host rock mass is estimated. The specific features of the different-energy shock origin at the chamber- and block-mining areas are established.
Key words: deposit, filing, stresses, chambers, dynamic events.
REFERENCES
1. Kurlenya M.V., Seryakov V.M., Eremenko A.A. Tekhnogennye geomekhanicheskie polya napryazhenii (Induced geomechanical stress fields), Novosibirsk, Nauka, 2005, 264 p.
2. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure. Geoecology and Computers, Moscow: Balkema, 2000.
