CC BY
25
УДК 622.831+550.34; 622.83:550.83
© А.А. Еременко, Л.Н. Гахова, В.А. Еременко, 2015
А.А. Еременко, Л.Н. Гахова, В.А. Еременко
ВЛИЯНИЕ ПОРЯДКА ОТРАБОТКИ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БЛОКОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВМЕЩАЮЩЕГО МАССИВА В УСЛОВИЯХ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Исследовано напряженно-деформированное состояние вмещающего массива при отработке поли-металлических месторождений. Установлено, что в районе выработанных пространств на границах рудных тел формируются высокие напряжения. Анализ расстояния от очистных заходок и камер до зон концентрации напряжений позволил оптимизировать порядок отработки технологических блоков в рудных запасах.
Ключевые слова: технология, месторождение, руда, горная порода, напряжение, блок, массив.
Введение
Горнодобывающая промышленность в настоящее время переживает трудный период своего развития, связанный с ухудшением условий разработки месторождений полезных ископаемых, главным из которых является переход горных работ на большие глубины [1, 2]. Увеличение глубины разработки месторождений сопровождается естественным ростом исходного поля напряжений в недрах, появлением динамических явлений (горные удары, микроудары, толчки и др.), а также обострением проблемы управления горным давлением [3, 4]. В горных науках данная совокупность задач в общем виде сформулирована как геомеханическое обоснование технологических схем горных работ в сложных горно-геологических условиях.
Запасы полиметаллических месторождений отрабатываются, как правило, системами разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства в нисходящем и восходящем порядке, а также камерно-целиковой
системой с твердеющей закладкой. Оценка влияния масштаба горных работ на напряженно-деформированное состояние (НДС) массива позволяет разработать и обосновать технологические решения, способствующие повышению безопасности и эффективности ведения горных работ. Ниже по результатам анализа геомеханического состояния массива горных пород при отработки залежей полиметаллического месторождения Орловское (Казахстан) обоснована возможность поиска новых технологических решений при планировании горных работ в пределах месторождения, выбора направления и очередности разработки рудных тел.
Геологическая, горнотехническая и геомеханическая характеристики Орловского месторождения
При переходе горных работ на большие глубины на Орловском месторождении, расположенном в Восточно-Казахстанской области, резко ухудшаются условия эксплуатации мощных
наклонных залежей богатых медно-цинковых руд, окруженных неустойчивыми породами большой мощности с изменяющимися физико-механическими свойствами горных пород. Вследствие этого повышаются требования к геотехнологии, включающей отработку залежей со своевременной закладкой выработанного пространства. Данная проблема имеет множество аспектов, из которых не в полной мере изучены такие стороны, как использование особенностей геотехнологии для управления геомеханическими процессами в районе выемки камер, целиков и блоков. Особое место занимают исследования по установлению влияния порядка и масштаба горных работ на НДС массива.
На основании проведенных исследований Орловское месторождение
(по заключению ВНИМИ) с глубины 600 м отнесено к склонному к горным ударам. Сплошные барит-полиметаллические руды, медно-цинковые, сплошные и вкрапленные по кварцитам медно-колчедановые руды способны накапливать упругие деформации с последующим проявлением динамических явлений. Поэтому определение рационального порядка отработки технологических блоков в рудных залежах, обеспечивающего повышение безопасности и эффективности очистных горных работ, является актуальным.
Орловское месторождение изучено картировочными и разведочными скважинами. Месторождение представлено Основной (Первое и Второе рудные тела) и Новой (Южное и Северное рудные тела) залежами (рис. 1) [5]. В таблице приведены усредненные
Усредненные физико-механические свойства руд и пород
Породы и руды Угол внутреннего трения р, град Сцепление С, МПа Динамический модуль упругости £х104, МПа Коэффициент Пуассона V Объемный вес у, МН/м3
Альбит-порфиры 29 28 7,6 0,22 0,0271
Алевролиты глинисто-кремнистые 34 23 7,2 0,18 0,0275
Алевролиты кремнистые 33 38 8,5 0,23 0,0287
Туфоалевролиты 36 35 8,5 0,25 0,028
Туфоалевропесчаники 36 21 5,8 0,15 0,0292
Сплошная барит-полиметаллическая руда 33 41 12,9 0,21 0,0464
Вкрапленная медно-колче-данная руда в метасоматитах 33 17 9,9 0,26 0,0316
Вкрапленная медно-колче-данная руда в хлоритолитах 36 21 9,8 0,15 0,0393
Вкрапленная медно-колче-данная руда в кремнистых алевролитах 34 32 8,4 0,22 0,029
Медно-колчеданная руда 30 37 12,5 0,23 0,0435
Сплошная полиметаллическая руда 37 90 14,0 0,25 0,0450
Сплошная медно-цинковая руда 33 50 14,8 0,24 0,0468
Рис. 1. Схема расположения рудных залежей Орловского месторождения
физико-механические свойства руд и пород в околорудной и рудной зонах, свидетельствующие о том, что угол внутреннего трения изменяется от 29 до 37°, сцепление - от 17 до 90 МПа, динамический модуль упругости - от 5,8 до 14,8 МПа, коэффициент Пуассона - от 0,15 до 0,25 и объемный вес - от 0,0271 до 0,0468 МН/м3. Категория устойчивости в лежачем боку месторождения - II—IV, в висячем -11-У, в рудной зоне - 1-У, при этом коэффициент структурного ослабления колеблется от 0,12 до 0,54 [5].
Месторождение вскрыто четырьмя стволами различного назначения. До-
бычу руды в блоках ведут одновременно на нескольких слоях на разных подэтажах и рудных телах. Очистные работы в слое осуществляются заход-ками сечением 4x3,5 м вкрест простирания рудного тела и камерами шириной 5-7,5 м, высотой до 20 м с закладкой выработанного пространства.
Первые проявления горного давления в динамической форме имели место на горизонтах 9, 10 при отработке Основной залежи на глубине 500 м слоями 7, 14 блоков 4с, 14ю, 12с, где наблюдалось интенсивное за-колообразование и стреляние [5, 6]. Часто динамические явления проис-
ходили вблизи висячего бока месторождения, за пределами защищенной зоны.
НДС массива горных пород в окрестности выработанных пространств рудных залежей
Техногенное воздействие на массив горных пород при отработке рудных тел является следствием процесса перераспределения напряжений из-за возникновения новых выработанных пространств и областей разрушения породного массива вокруг них. В качестве величин, характеризующих свойства массива горных пород при исследовании напряженного состояния массива в окрестности рудных залежей Основная, Новая и Южная были приняты: исходное напряженное нетронутого массива - ст ™ = -уН0, ст ™ = ст ™ =
X 1 ' х у
= ХуН0, при X = 1, где стг™, стх™, сту" -соответственно вертикальный и горизонтальные компоненты напряжений, X - коэффициент бокового отпора, у -объемный вес пород, МН/м3, Н0 - глубина расположения отрабатываемой залежи. Предполагалось, что поверхность незаложенных отработанных пространств свободна от напряжений. Физико-механические свойства околорудной зоны приняты по данным табл. 1 и учитывались интегрально: коэффициент Пуассона V = 0,21; объемный вес пород у = 0,028 МН/м3; модуль упругости Е = 7,5х104 МПа; предел прочности на сжатие стсж = 96 МПа; предел прочности на растяжение ст = = 9,6 МПа; сцепление С = 27 МПа; угол внутреннего трения ф = 34°. Коэффициент крепости пород по Прото-дьяконову / = 5-12. Для закладки принимались V = 0,2, Е = 7,5х103 МПа.
В качестве математической модели использовался аппарат метода граничных интегральных уравнений для многосвязных кусочно-однородных областей [7, 8]. Результаты расчетов представлялись в виде графиков изо-
линий компонентов тензора напряжений (стх, сту) и напряжениями ст5, сравниваемыми со сцеплением массива (С) и позволяющими для анализа воспользоваться критерием Кулона-Мора. Зоны массива, в которых ст5 > С, являются зонами возможного неупругого деформирования (возможного разрушения) [9, 10]. С учетом коэффициента структурного ослабления (минимальное значение - 0,12) сцепление массива С = 3,4 МПа.
Исследовалось НДС массива при отработке рудного тела Южное в условиях отработанной и заложенной Основной залежи (рис. 2). Максимальная концентрация горизонтальных напряжений формируется в кровле отрабатываемого блока 2 (см. рис. 1) -до -45 МПа в северной части тела (рис. 2, а). С учетом коэффициента структурного ослабления горизонтальные напряжения в этих областях могут превысить предел прочности на сжатие. На уровне 13 гор. (в отм. -400 -450 м) в южной части рудного тела Южное - разгрузка от горизонтальных напряжений, действующих в нетронутом массиве (на уровне 13 гор. стх" = -19 -20,5 МПа), не переходящая в растяжение. Максимальные вертикальные напряжения в плоскости Х2 формируются в кровле южной части рудного тела блока 1 (до -47 МПа, рис. 2, б). В целом верхняя часть рудного тела - в зоне разгрузки от действия вертикальных напряжений, сформированной взаимным влиянием отработанного 2-го рудного тела залежи Основной и отрабатываемого Южного.
При доработке Основной залежи с понижением горных работ зона концентрации горизонтальных напряжений охватывает всю ее нижнюю часть (рис. 3, а); во вмещающем массиве формируются зоны неупругих деформаций (рис. 3, б). При этом развитие зон неупругих деформаций
-700 -650 -600 -550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 X
Рис. 2. Распределение напряжений (МПа) в горизонтальном Х (а) и вертикальном Z (б) направлениях в окрестности отработанных залежей: 6ю - 18 ю - вертикальные сечения
220 24« 260 280 300 320 340 360
Рис. 4. Изменение глубины зон неупругих деформаций м) в борту и в почве выработанного пространства с развитием горных работ в направлении с севера на юг и с юга на север (по направлению оси Х)
|!Ю -30 II 5(1 10(1 150 2(10
•50 (I Ж 100 150 2Ш X
Рис. 5. Распределение напряжений (МПа) в горизонтальных направлениях Х (вкрест простирания рудного тела) и Y (по простиранию рудного тела) в районе 10 слоя 3 подэтажа 13 гор. блока 1 (отм. -440 м), Залежь Новая: 12-15, II - V. 1 - вертикальные сечения
в почве выработанного пространства не зависит от направления развития работ; в борту глубина зон значительно больше в условиях отработки запасов с юга на север, что свидетельствует о предпочтительном направлении развития очистных работ в направлении с севера на юг (рис. 4).
Влияние отработки технологических блоков на напряженное состояние массива горных пород рассмотрим на примере выемки запасов блока 1 залежи Новая. Отработка 10 слоя 3 подэтажа 13 гор. блока 1 с объемом выработанного пространства 19 590 м3 изменила поле горизонтальных напряжений вкрест (Х) и по простира-
Рис. 6. Зоны неупругих деформаций в направлениях в районе 10 слоя 3 подэтажа 13 гор. блока 1 (отм. -440 м). Залежь Новая
Рис. 7. Изменение максимальных сжимающих напряжений вкрест простирания (а) и по простиранию (б) очистных заходок на горизонте 13 в блоке 1 при увеличении с северной (1), южной (2), восточной (3) и западной (4) сторон
нию (У рудного тела (рис. 5). По направлению Х сжимающие напряжения вокруг камер составили -35 ■ ■ -40 МПа; по У - -20 ■ -30 МПа.
Высокая концентрация напряжений во вмещающем массиве отмечена с южной и северной стороны от очистных работ. Зоны неупругих деформаций возникли также между камерами в целиках на расстояниях 10 м (рис. 6).
Обобщение результатов расчетов величин напряжений, направленных вкрест простирания очистных заходок и представленных в виде графиков изменения максимальных сжимающих напряжений в окрестности выработанных пространств при различных объемах выработанного пространства (V) с закладкой, при отработке блока 1 на го-
ризонте 13 в отм. -403 ■ -452 м позволило определить следующее (рис. 7, а):
• рост объемов выработанного пространства от 4,66 до 20,2 и от 54 до 65 тыс. м3 приводит к росту напряжений от -18 до -40 и от -25 до -40 МПа соответственно;
• в диапазонах изменение Vs от 20,2 до 54 тыс. м3 и от 65 до 87 тыс. м3 напряжения снижаются от -40 до -20 (-12) МП;
• с увеличением объема выработанного пространства от 87 до 200 тыс. м3 с северной и южной стороны напряжения возрастают до -30 ■ -40 МПа; с восточной и западной - остаются без изменения на уровне -15 ■ -20 МПа.
По простиранию очистных заходок (У) максимальные сжимающие напря-
Рис. 8. Изменение максимальных Ьэ от контура выработанных пространств при увеличении Уэ в плане (а) и в вертикальной плоскости слоев (б) с северной (1), южной (2), восточной (3) и западной (4) сторон
Р^П 1 <
1 ^ 1 1
1 1 1 1
1еусто{ чнвое | 1 1 Уст эйчывсе 1 1 ■
:ост°нн оркгк к юрса 1 í | ГОр1 ъкиорс а 1
1 1 1 1 1
10
20
30
40
50
«0
80, 90
Рис. 9. Изменение глубины зоны неупругих деформаций (Ls, м) в целиках (в плане) от границ выработанного пространства при его выемке в блоке 1 (13 и 14 горизонт, отм. -403 ^ -452 м)
жения изменяются от -39 до -50 МПа с восточной и западной стороны, причем некоторое снижение (с -50 до -39 МПа) наблюдается при объемах выработанного пространства с закладкой 4,66 - 40,7 тыс. м3 (рис. 7, б). С ростом объема от 40,7 до 200 тыс. м3 напряжения изменяются от -39 до -50 МПа. С северной и южной сторон от выработанного пространства с объемами 4,66 200 тыс. м3 величины напряжений в 2 раза ниже и колеблются от -12 до -20 МПа. Небольшое изменение напряжений наблюдается в диапазоне от 4,66 до 87 тыс. м3.
Анализ влияния объема выработанного пространства с закладкой на распределение глубины зон неупругих деформаций (Ь , м) при отработке блока 1 (горизонты 13 и 14) в плане и в вертикальных плоскостях (рис. 8) свидетельствуют о следующим:
• при рассмотрении порядка ведения очистных работ в слоях в плане установлено, что при изменении объема выработанного пространства от 4,66 до 60 (87) тыс. м3 происходит значительное увеличение Ь как с южной и северной, так и с восточной и западной сторон (до 25-30 м); с увеличением объема от 60 (87) до 200 тыс. м3 размеры зон сокращаются, их удаление от
контура очистного снижается до 12 м (рис. 8, а);
• несколько по-другому происходит распространение зон неупругих деформаций в вертикальной плоскости (вкрест простирания рудного тела). Так, в интервале Vs от 2,7 до 76 тыс. м3 максимальные глубины зон от кровле, днища, с восточной и западной сторон (рис. 8, б) колеблются от 1 до 15 м.
При отработке блока 1 гор. 13, 14 между очистными заходками, ортами, штреками, камерами и слоями образовывались целики от 3 (5) до 77 м. Оценка состояния горных пород и руд в целиках осуществлялась по фактору формирования зон неупругих деформаций. Установлено, что в целиках с размерами от 3(5) до 45(50) м происходило наложение зоны неупругих деформаций от рядом расположенных выработанных пространств, что характеризовало состояние массива как неустойчивое (рис. 9); при этом глубина зон от контура выработанных пространств распространялась на 3 25 м. Увеличение целиков от 45(50) до 77 м обеспечило повышение устойчивости горных пород, так как между выработанными пространствами с закладкой не наблюдалось наложение этих зон; их глубина не превысило 30 м.
Выводы
1. Исследования напряженного состояния массива в условиях отработанных и заложенных закладкой Основной и Новой рудных залежей показали, что максимальная концентрация напряжений формируется на границах рудных тел с вмещающими породами; в южной части рудного тела Южное формируются максимальные вертикальные напряжения и наблюдается разгрузка от горизонтальных напряжений. Верхняя часть рудного тела находится в зоне разгрузки от действия вертикальных напряжений, сформированной взаимным влиянием двух выработанных пространств с закладкой - Основной залежи и Южного рудного тела.
2. Определены зоны концентрации горизонтальных, вертикальных и сдвигающих напряжений при выемке рудных залежей Южная и Северная. Максимальные напряжения распространяются в кровле рудной залежи Новая и между рудными телами.
3. При доработке Основной залежи отработку слоев с закладкой следу-
ет осуществлять в направлении с севера на юг.
4. В условиях отработки Новой залежи камерами при размерах рудных и породных целиков от 3-5 до 4550 м наблюдается неустойчивое состояние горных пород; при целиках -от 50 до 77 м достигается устойчивое состояние горных пород.
5. Установлено, что с увеличением объема выработанного пространства залежи Новая величины напряжений в направлении вкрест простирания очистных слоев с северной и южной сторон в 2 раза больше, чем с восточной и западной сторон. При этом максимальная глубина зон неупругих деформаций от границ выработанных пространств с закладкой (очистных за-ходок, слоев, ортов, штреков, камер) составляет 15-30 м, минимальная -8-12 м (в плане). В вертикальной плоскости глубина зон неупругих деформаций в рудном и породном массивах достигает 15 м в кровле, днище, с восточной и западной сторон выработанных пространств.
1. Еременко А.А., Еременко В.А., Гахо-ва Л.Н., Ерусланов А.П., Смелик А.С., Про-хватилов С.А. Оценка геомеханического состояния массива горных пород при отработке участков в охранных целиках // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013. - № 7. - С. 126-131.
2. Башков В.И., Еременко А.А., Еременко В.А., Котляров А.А. Оценка НДС массива горных пород при отработке блоков в сближенных рудных телах Абаканского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 8. -С. 5-8.
3. Еременко А.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на железорудных месторождениях Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, 2013. - 192 с.
4. Еременко А.А., Еременко В.А., Кол-тышев В.Н., Башков В.И., Щептев Е.Н., Штирц В.А. Особенности развития очистных работ в предохранительных целиках под
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
промышленными и водными объектами // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 4. - С. 11-17.
5. Технологический регламент для разработки проекта «Вскрытие и отработка нижних горизонтов Орловского месторождения (на восполнение выбывающих мощностей). - Усть-Каменогорск: ДГП «ВНИИ цветмет», 2001.
6. Макаров А. Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. - М.: Горная книга, 2006. - 391 с.
7. Трехмерные задачи математической теории упругости и термоупругости / Под ред. В.Д. Купрадзе. - М.: Наука, 1976.
8. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure / Geoecology and Computers. - Moscow: Balkema. - 2000.
9. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахо-ва Л.Н. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных
выработок // ФТПРПИ. - 2012. - № 4. -С. 20-28.
10. Курленя М.В., Барышников В.Д., Га-хова Л.Н. Влияние частичного затопления
карьера «Айхал» на напряженно-деформированное состояние рудной потолочины // ФТПРПИ. - 2013. - № 4. - 23-31. ЕШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Еременко Андрей Андреевич - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе ИГД СО РАН, e-mail: yeryom@misd.nsc.ru, Гахова Лидия Николаевна - старший научный сотрудник ИГД СО РАН, e-mail: gahoval@mail.ru,
Еременко Виталий Андреевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, ИПКОН РАН, e-mail: eremenko@ngs.ru.
UDC 622.831+550.34; 622.83:550.83
EFFECT OF MINING SEQUENCE ON STRESS-STRAIN STATE OF A ROCK MASS EN-CLOSING A COMPLEX ORE DEPOSIT
Eremenko A.A.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director for Science, e-mail: yeryom@misd.nsc.ru,
Gakhova L.N.1, Senior Researcher, e-mail: gahoval@mail.ru,
Eremenko V.A., Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: eremenko@ngs.ru, Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia,
1 Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.
The analysis of the stress-strain state in a rock mass in the course of mining of a complex deposit has shown high stresses concentrating at the interfaces of ore body and mined-out areas. Based on the study of spacing between stopes and stress concentration areas, the ore mining sequence has been optimized.
Key words: technology, deposit, ore, rock, stress, block, rock mass.
REFERENCES
1. Eremenko A.A., Eremenko V.A., Gakhova L.N., Eruslanov A.P., Smelik A.S., Prokhvatilov S.A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2013, no 7, pp. 126-131.
2. Bashkov V.I., Eremenko A.A., Eremenko V.A., Kotlyarov A.A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2013, no 8, pp. 5-8.
3. Eremenko A.A. Sovershenstvovanie tekhnologii burovzryvnykh rabot na zhelezorudnykh mestorozh-deniyakh Zapadnoi Sibiri (Improvement of drilling-and-blasting technology for iron ore mining in West Siberia), Novosibirsk, Nauka, 2013, 192 p.
4. Eremenko A.A., Eremenko V.A., Koltyshev V.N., Bashkov V.I., Shcheptev E.N., Shtirts V.A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 4, pp. 11-17.
5. Tekhnologicheskii reglament dlya razrabotki proekta «Vskrytie i otrabotka nizhnikh gorizontov Orlovs-kogo mestorozhdeniya (na vospolnenie vybyvayushchikh moshchnostei)» (Production procedures for project development «Accessing and mining of lower levels of Orlovsky deposit (for replenishment of productive capacities)»), Ust-Kamenogorsk, DGP Vniitsvetmet, 2001.
6. Makarov A.B. Prakticheskaya geomekhanika. Posobie dlya gornykh inzhenerov (Practical geomechan-ics. Mining engineers manual), Moscow, Gornaya kniga, 2006, 391 p.
7. Trekhmernye zadachi matematicheskoi teorii uprugosti i termouprugosti. Pod red. V.D. Kupradze (3D problems of mathematical theory of elasticity and thermoelasticity. Kupradze V.D. (Ed.)), Moscow, Nauka, 1976.
8. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure. Geoecology and Computers. Moscow: Balkema. 2000.
9. Kurlenya M.V., Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2012, no 4, pp. 20-28.
10. Kurlenya M.V., Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2013, no 4. 23-31.
