CC BY
13
30. Potts D.M., Zdravkovic L. Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Theory. Thomas Telford Limited. 1999. 440 p.
31. Potts D.M., Zdravkovic L. Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Application. Thomas Telford Limited. 1999. 448 p.
32. Pracovsky J. Some Aspects of Contact Stress Measurements Around Tunnels. Proc. Int. Symp. Geotechnical Aspects of Underground Con-struction in Soft Ground, London. 1996. p. 307-310.
33. Venugopala Rao R., Naik S., Reddy M. N., Gupta R. N. Disconti-num analysis and support design of road tunnels - A case study // Proceedings of the third International Conference on Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Moscow. Russia. 1-4 February 2000. A.A. Balkema. Rotterdam. Brookfield. 2000. P.141-150.
34. Vieira A., Sousa L.R., Barreto J. Numerical investigations for the analysis of a large underground station of Lisbon Metro // Proceedings of the third International Conference on Advances of Computer Methods in Geotech-nical and Geoenvironmental Engineering. Moscow. Russia. 1 - 4 February 2000. A.A. Balkema. Rotterdam. Brookfield. 2000. P. 151-156.
УДК 539.3.01:622.834
DOI: 10.46689/2218-5194-2021-3-1-251 -262
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО ЦЕЛИКА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ НА РУДНИКЕ «ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНЫЙ»
В.Д. Барышников, И.Б. Бокий, Л.Н. Гахова, Д.В. Барышников
Приведены результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива на руднике «Интернациональный» АК «АЛРОСА». Для условий распределения напряжений в нетронутом массиве в соответствии с гипотезой А. Гейма определены закономерности формирования напряжений в рудной потолочине и в окрестности горной выработки для ведения мониторинга на различных этапах отработки запасов. Дана оценка зон запредельного деформирования рудного массива с использованием критерия Кулона - Мора. Рекомендована схема расположения наблюдательных станций геомеханческого контроля сдвижений и деформаций подкарьерного массива, являющегося составной частью комплексного проекта гидрогеомеханического мониторинга.
Ключевые слова: механические свойства пород, численное моделирование, НДС, реперные станции, сдвижения, разрушение.
Кимберлитовая трубка «Интернациональная», представляющая собой вертикальное рудное тело овальной формы поперечного сечения площадью около 5.5 тыс. м в верхней части, отработана открытым способом до глубины 315 м (абс. отм. +85 м). Подземная выемка запасов производится с применением слоевой нисходящей системы разработки по камер-
но-целиковой схеме отработки запасов в слое заходками шириной около 5м, высотой 4... 5 м и твердеющей закладкой выработанного пространства.
В настоящее время отрабатываются запасы глубоких горизонтов, и планируется выемка подкрьерных запасов. Ведение горных работ в переходной зоне представляет наибольшую сложность с точки зрения обеспечения их безопасности из-за влияния геомеханических и гидрогеологических факторов [1]. В сложных гидрогеомеханческих условиях и при наличии водного объекта предусматривается оставление подкарьерного предохранительного целика для защиты от прорыва обводненных илов со дна карьера [2]. Ведение горных работ под водным объектом требует обязательного комплексного мониторинга гидрогеологических и геоомехани-ческих процессов [3 - 9].
При организации геомеханического мониторинга выборы методов и средств измерений, зон контроля и критических параметров деформирования породного массива определяются с учетом особенностей формирования его напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессе развития очистных работ [10].
Допустимые размеры предохранительного целика и критическая деформация, приводящая к образованию водопроводящих трещин (екр = 4-10-3), определены позднее специалистами ИПКОН РАН в соответствии с [11] и использованы в дальнейшем при обосновании проекта гидрогеоме-ханического мониторинга [12, 13].
Целью данной работы является прогнозная оценка НДС рудного предохранительного целика для обеспечения безопасных условий отработки месторождения. Изучение особенностей формирования НДС переходной зоны наиболее эффективно с использованием численных методов, позволяющих оценить возможные варианты ведения горных работ и установить закономерности изменения НДС в процессе отработки запасов. Достоверность прогнозных оценок определяется надежностью исходных данных и, прежде всего, параметров напряженного состояния нетронутого массива.
Исходное напряженное состояние массива горных пород принято
о ТТ о л тт о о
ау = -уН, ах = -АуН, где ау , ах - соответственно вертикальная и горизонтальная компоненты тензора напряжений; X - коэффициент бокового распора; у - объемный вес пород; Н - глубина разработки. Так как экспериментальные данные о параметрах естественного поля напряжений на отметках подкарьерного массива отсутствуют, расчеты выполнялись для варианта бокового отпора А=1 (гипотеза А. Гейма). В расчетах приняты модуль деформации подкарьерного массива Е = 7,5 ГПА и коэффициент Пуассона V = 0,25 [14]. Анализ результатов проводится по численным значениям компонент тензора напряжений (ох, ау), позволяющих использовать критерий Кулона - Мора [15].
По результатам лабораторных испытаний кернов скважин в рудной потолочине, выполненных в лаборатории геомеханики института «Якут-нипроалмаз», определены средние значения прочностных свойств кимберлита:
Осж = 15,6 МПа, Ор = 1,53 МПа, С = 4,8 МПа, ф =34,5о.
Анализ керна скважин в рудной потолочине свидетельствует о наличии многочисленных разноориентированных трещин, залеченных, как правило, кальцитом, гипсом и сульфатной минерализацией. Наблюдаются также разноориентированные зеркала скольжения. По некоторым скважинам отмечено до 4-5 трещин на погонный метр. По ряду скважин оценить число трещин не представляется возможным из-за дробления керна.
Результаты расчетов свидетельствуют о формировании под дном отработанного карьера зоны повышенных горизонтальных сжимающих напряжений, достигающих на контуре дна карьера величины Ох = -14 МПа (рис. 1,а). При этом отмечается разгрузка от вертикальных напряжений на его контуре (рис. 1,б).
На рис.2 приведены величины напряжений в подкарьерном массиве при наличии 35-метровой толщи обводненных осыпей (отм. +120 м). Анализ результатов свидетельствует об уменьшении Ох до 11 МПа и увеличении сжатия оу до -1 МПа.
а б
Рис. 1. Компоненты горизонтальных ах (а) и вертикальных ау (б) напряжений после отработки карьера
Рис. 2. Компоненты горизонтальных ах (а) и вертикальных ау (б) напряжений при наличии осыпей на дно карьера
При организации мониторинга в соответствии с проектом [12] для анализа развития гидрогеомеханической ситуации в подкарьерном массиве контроль НДС производится из наблюдательной выработки, пройденной в рудной потолочине ниже границы зоны водопроводящих трещин и расположенной над кровлей отрабатываемого блока. Прогнозная оценка напряженного состояния в окрестности наблюдательной выработки после её проходки, а также после формировании разрезного слоя и полной отработки блока 2 до отм. -15 м приведена на рис 3, 4.
Анализ результатов численного моделирования показывает следующее.
1. Горизонтальные сжимающие напряжения ах до начала очистных работ сопоставимы с прочностью рудного массива (рис. 3,а). После отработки разрезного слоя в верхней половине потолочины ах = -20 МПа, а в нижней половине потолочины ах = -8 МПа (рис. 4,а). Предельное состояние массива отмечается в кровле выработки, а после отработки блока - по всей толщине рудной потолочины, достигая величины -20 МПа - в верхней её части и -16 МПа в кровле очистного блока (рис. 4, б).
2. Вертикальная компонента сжимающих напряжений ау в районе рудной потолочины до начала очистных работ не превышает -6 МПа (рис. 3,б). После формирования разрезного слоя и полной отработки блока рудный массив практически полностью разгружен от вертикальных напряжений (рис. 4,а,б). При этом в боках выработки формируется зона растягивающих напряжений. На её контуре оу увеличивается по мере отработки запасов от 0 МПа до +12 МПа. Глубина зоны растяжения в центральной части выработки не превышает её ширины.
3. Зоны запредельного деформирования подкарьерного массива в соответствии с критерием Кулона - Мора при сцеплении С = 4,8 МПа (данные лабораторных испытаний рудного керна) отмечаются в окрестности наблюдательной выработки на различных этапах развития горных работ, достигая размеров, сопоставимых с её пролетом на завершающей стадии отработки блока (рис.5). При сцеплении с учетом структурного ослабления k = 0,6 и С = 2,9 МПа зоны запредельного деформирования после завершения открытых работ в прибортовой части массива наблюдаются на сопряжении бортов и дна карьера (рис. 5,а). После разрезки блока большая часть потолочины находится в предельном состоянии (рис. 5,б), а после полной отработки блока - по всему её сечению (рис. 5,в).
а
б
$0 ¡-, «
Рис. 3. Изолинии горизонтальных ох (а) и вертикальных ау (б) компонент напряжений в подкарьеном массиве до начала
очистных работ
Таким образом, рудная потолочина после начала очистных работ практически полностью разгружена от вертикальных напряжений (оу < -1 МПа). При этом горизонтальные сжимающие напряжения в рудном массиве возрастают по мере развития очистных работ и превышают прочность руды на одноосное сжатие по всему сечению потолочины (ох = -16... -20 МПа) после полной отработки блока 2. Предельное состояние потолочины на завершающем этапе очистных работ в блоке отмечается также и в соответствии с критерием Кулона - Мора при учете структурного ослабления массива (ксо = 0,6).
Ш
а
у///////{ ^^ у///////^,
-30 .Й .¡в .16 -»
го 1-, м
Ох
-Э0 -25 -20 -15 -10
О
10 15 20 I, М
у
Рис. 4. Изолинии горизонтальных ох и вертикальных ау компонент напряжений после формировании разрезного слоя (а) и полной отработки блока 2 до отм. -15 м (б)(начало)
б
Сх Су
Рис. 4. Изолинии горизонтальных ах и вертикальных ау компонент напряжений после формировании разрезного слоя (а) и полной отработки блока 2 до отм. -15 м (б) (окончание)
Параметры зон предельного состояния приконтурного массива в окрестности выработки геомехнического мониторинга увеличиваются в процессе понижения очистных работ и сопоставимы с её пролетом после отработки блока. При этом в кровле формируется зона концентрации повышенных горизонтальных напряжений (сх = - 20... -30 МПа), а в бортах - вертикальных растягивающих напряжений (су < +12 МПа), превышающих прочность кимберлита.
Для прогноза оседаний рудной потолочины на отметках наблюдательной выработки выполнены численные расчеты упругих вертикальных смещений, вызванных отработкой разрезного слоя и всего блока (рис.6). Максимальная осадка почвы выработки наблюдается в центральной её части после разрезки блока (до 280 мм) и увеличивается до 325 мм после его отработки.
а
ШШш
-■
-- О
-во б
г О
ГС
40
в
во 1-, м
I, и
го м
Рис. 5. Зоны запредельного деформирования при С = 4,8 МПа (темная окраска) и С = 2,9 МПа (серая окраска) до начала очистных работ (а), после формировании разрезного слоя (б) и полной отработки
блока 2 до отм. -15 м (в)
Для ведения геомеханического мониторинга разработан широкий набор методов и технических средств наблюдений, используемых в горной практике и строительстве [16, 17]. Геомеханический мониторинг подкарь-ерного массива в проекте [13] предусматривает оборудование наблюдательных станций для контроля сдвижений и деформации породного массива в окрестности горно-капитальных выработок на гор. +85 м (особенно важных при подземном водопонижении Метегеро-Ичерского водоносного комплекса ниже отрабатываемого блока 2 в отм. -47 м... -127 м), наблюдательной выработки, расположенной на отм. +53,5 м, подготовительной выработки на отметке разрезного слоя и на гор. ±0 м. На рис. 7 приведена схема расположения наблюдательных станций в выработке на отм. +53,5 м для контроля горизонтальных и вертикальных деформаций рудного массива.
Рис. 6. Приращения упругих смещений почвы наблюдательной выработки при ведении очистных работ
* - скважинные репера; | -репера профильной линии
Рис. 7. Схема расположения наблюдательных стаций глубинных реперов (СГР), скважин визуальных наблюдений (СВН) и реперов профильной линии (ПЛ) в вертикальном разрезе
Контроль сдвижений и деформаций массива осуществляется с использованием станций глубинных и контурных реперов, профильных линий и скважин визуальных наблюдений за возможным образованием расслоений в кровле блока и горных выработок, а также инклинометрических наблюдений за сдвижением закладочного массива при его подработке. Полученная информация обеспечивает оценку параметров геомеханических процессов при ведении очистных работ и сравнение полученных данных с допустимыми критическими параметрами деформирования породного массива для принятия (при необходимости) своевременных мер по обеспечению безопасности работ.
Заключение
Выполнена прогнозная оценка НДС подкарьерной рудной потолочины на различных этапах открыто-подземной отработки запасов переходной зоны. Из-за отсутствия экспериментальных данных по параметрам исходного напряженного состояния подкарьерного массива результаты численного моделирования с применением метода граничных интегральных уравнений получены в соответствии с гипотезой Гейма при коэффициенте бокового отпора X = 1.
Установлены закономерности формирования НДС массива до начала и в процессе подземной отработки подкарьерных запасов с учетом принятых проектных параметров разработки и расположения наблюдательной выработки геомеханического мониторинга.
Для повышения эффективности контроля состояния подкарьерного массива рекомендуется выполнить экспериментальную оценку напряжений в нетронутом массиве на отметках рудной потолочины, а в процессе отработки разрезного слоя - обеспечить получение надежной информации за сдвижением и состоянием рудного массива по наблюдательным станциям. Полученная информация позволит уточнить не только параметры расчетной геомеханической модели, но и адаптировать её по результатам натурных наблюдений. Результаты численных расчетов НДС массива с использованием адаптированной расчетной модели повысят надежность прогноза геомеханического состояния подкарьерного массива в процессе дальнейшей выемки запасов и обеспечат оценки эффективных параметров горных работ при последующей отработке самой потолочины после принятия мер по ликвидации водного объекта на дне карьера.
Авторы выражают благодарность за предоставленные материалы сотрудникам лаборатории геомеханики института «Якутнипроалмаз» и отдела мониторинга Мирнинского ГОКа.
Список литературы
1. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. М.: Издательский Дом «Руда и металлы», 2003. 560 с.
2. Геомеханические аспекты разработки кимберлитового месторождения трубки «Интернациональная» / А.А. Коваленко, Н.Е. Захаров, Э.К. Пуль, В.Г. Золотин // Горный журнал. 2019. №2. С. 27- 31.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ при комбинированной (совмещенной) разработке рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых РД 06-174-97.
4. Иофис М.А., Гришин А.В. Геомеханический мониторинг состояния массива в переходной зоне при комбинированном способе разработки // Сб. науч. тр. междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и пути эффек-
тивной отработки алмазоносных месторождений». Новосибирск: Наука, 2011. С. 142 - 145.
5. Иофис М.А., Мыцких О.С. Особенности геомеханических процессов геотехнологии горных работ в переходной зоне // Сб. науч. тр. Междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений». Новосибирск: Наука, 2011. С. 145 -148.
6. Барях А.А., Самоделкин Н.А., Паньков И.Л. Разрушение водоупорных толщ при ведении крупномасштабных горных работ // ФТПРПИ. Новосибирск, 2012. Ч. I. №5. С. 3-14.
7. Мельников Н.Н., Калашник А.И., Калашник Н.А., Запорожец Д.В. Комплексная многоуровневая система геомониторинга природно-технических объектов горнодобывающих комплексов // ФТПРПИ. Новосибирск, 2018. №4. С. 3-10.
8. Alireza Maghsoudi, Behzad Kalantari. Monitoring Instrumentation in underground structures // J. of Civil Engineering. 2014. No. 4. P. 135 - 146.
9. Захаров В.Н., Кубрин С.С., Аверин А.П. Мониторинг и прогноз техногенных гидро-, газо- и геодинамических явлений на рудниках АК «АЛРОСА» // Сб. науч. тр. Междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений». Новосибирск, 2011. С. 157 - 160.
10. Барышников В.Д., Гахова Л.Н., Черепнов А.Н. Геомеханическая оценка и контроль состояния рудной потолочины при переходе от открытой к подземной разработки // Сб. науч. тр. 21-го Всемирного конгресса. Краков. Польша. 2008. Т. 3. С. 114-119.
11. Методические указания по определению параметров зон на горных предприятиях АК «АЛРОСА». М., 2006.
12. Техническое перевооружение «Рудник «Интернациональный». Модернизация гидрогеомеханического мониторинга при отработке запасов глубоких горизонтов и в подкарьерном массиве. Мирный: Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», 2018.
13. Выбор и обоснование состава наблюдений и критериев безопасности при геомеханческом мониторинге на руднике «Интернациональный» / И.В. Зырянов, О.В. Зотеев, В.Д. Барышников, В.В. Пуль // Горный журнал. 2019. №2. С. 21- 26.
14. Коноваленко В.Я. Справочник физико-механических свойств горных пород алмазных месторождений Якутии. Новосибирск: Изда-во СО РАН, 2012. 276 с.
15. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок // ФТПРПИ. Новосибирск, 2012. №4. С. 20-28.
16. Hudson J. A. ISRM suggested methods for rock stress estimation // J. Rock Mech. & Min. Sci. 2003. Vol. 40. No. 7. 8. P. 991-1025.
17. Скнарина Н.А. Обзор современных аппаратных средств технического мониторинга // Инженерные изыскания. 2014. №8. С. 32 - 40.
Барышников Василий Дмитриевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., зав. лабораторией, v-baryshnikov@yandex. ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела СО РАН; Республика Саха (Якутия), Мирный, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРО-СА»,
Бокий Игорь Борисович, канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией, Boki-yIBaalrosa.ru, Россия, Республика Саха (Якутия), Мирный, Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА»,
Гахова Лидия Николаевна, ст. науч. сотр., gahoval@mail.ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела СО РАН,
Барышников Дмитрий Васильевич, науч. сотр., d-baryshnikovayandex.ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела СО РАН
RECURRENT PATTERNS IN GEOMECHANICAL BEHAVIOR OF CROWN PILLAR DURING UNDERGROUND MINING ININTERNATSIONALNYMINE
V.D. Baryshnikov, I.B. Bokiy, L.N. Gakhova, D. V. Baryshnikov
The article describes the numerical modeling results on the stress-strain behavior of pit bottom rock mass in Internatsionalny Mine of ALROSA. For the intact rock mass stresses, in compliance with Heim's hypothesis, stress patterns are determined in the crown pillar and in adjacent rock mass for stress monitoring at different stages of mineral mining. The post-limiting strain zones are estimated in ore using the Mohr-Coulomb criterion. The recommendations are given for the arrangement of observation stations for geomechanical control of deformation and displacements in the pit bottom rock mass as a component of the integrated hydro-geomechanical monitoring.
Key words: mechanical properties of rocks, numerical modeling, stress state, mine survey plug, subsidence, failure.
Baryshnikov Vasily Dmitrievich, candidate of technical sciences, led. scientific researcher, v-baryshnikov'a yandex.ru, Russia, Novosibirsk, Institute of Mining SB RAS, Republic of Sakha (Yakutia), Mirny, Yakutniproalmaz Institute of «ALROSA»,
Bokiy Igor Borisovich, candidate of physical-mathematical sciences, head the laboratory, BokiyIB@alrosa. ru, Russia, Republic of Sakha (Yakutia), Mirny, Yakutni-proalmaz Institute of «ALROSA»,
Gakhova Lidia Nikolaevna, senior researcher, gahovalamail.ru, Russia, Novosibirsk, Institute of Mining SB RAS,
Baryshnikov Dmitry Vasilievich, researcher, d-baryshnikovayandex.ru, Russia, Novosibirsk, Institute of Mining SB RAS
Reference
1. Kaplunov D. R., Kalmykov V. N., Rylnikova M. V. Combined geotechnology. Moscow: Publishing House "Ore and Metals". 2003. 560 p.
2. Geomechanical aspects of the development of the kimberlite deposit of the "Inter-natsionalnaya" tube / A. A. Kovalenko, N. E. Zakharov, E. K. Pul, V. G. Zolotin // Mining Journal. 2019. No. 2. pp. 27-31.
3. Instructions for safe mining operations during combined (combined) development of ore and non-metallic mineral deposits RD 06-174-97.
4. Iofis M. A., Grishin A.V. Geomechanical monitoring of the state of the massif in the transition zone with a combined method of development // Sb. nauch. tr. mezhdunar. nauch.-praktich. conf. "Problems and ways of effective mining of diamond-bearing deposits". Novosibirsk: Nauka, 2011. pp. 142-145.
5. Iofis M. A., Mytskikh O. S. Features of geomechanical processes of geotechnolo-gies of mining operations in the transition zone // Sb. nauch. tr. international scientific and practical conference "Problems and ways of effective mining of diamond-bearing deposits". Novosibirsk: Nauka, 2011. pp. 145-148.
6. Baryakh A. A., Samodelkin N. A., Pankov I. L. Destruction of water-resistant strata during large-scale mining operations // FTPR-PI. Novosibirsk. 2012. Part I. No. 5. pp. 3-14.
7. Melnikov N. N., Kalashnik A. I., Kalashnik N. A., Zaporozhets D. V. Complex multilevel geomonitoring system of natural and technical objects of mining complexes // FTPRPI. Novo-Sibirsk. 2018. No. 4. pp. 3-10.
8. Alireza Maghsoudi, Behzad Kalantari. Monitoring Instrumentation in underground structures // J. of Civil Engineering, 2014. No. 4. P. 135 - 146.
9. Zakharov V. N., Kubrin S. S., Averin A. P. Monitoring and forecasting of techno-genic hydro -, gas - and geodynamic phenomena at the mines of AK "ALROSA" // Sb. nauch. tr. mezhdunar. nauch. - praktich. conf. "Problems and ways of effective mining of diamond-bearing deposits". Novosi-birsk: Nauka, 2011. pp. 157-160.
10. Baryshnikov V. D., Gakhova L. N., Cherepnov A. N. Geomechanical assessment and control of the state of the ore ceiling during the transition from open to underground mining // Collection of scientific tr. of the 21st World Congress, Krakow. Poland. 2008. Vol. 3. pp. 114-119.
11. Methodological guidelines for determining the parameters of zones at ALROSA mining enterprises / M. 2006.
12. Technical re-equipment of the International Mine. Modernization of hydrogeo-mechanical monitoring during the development of reserves of deep horizons and in the sub-barrier massif // Mirny. Yakutniproalmaz Institute of AK ALROSA. 2018.
13. Selection and justification of the composition of observations and safety criteria for geomechanical monitoring at the Internazionalny mine / I. V. Zyryanov, O. V. Zoteev, V. D. Baryshnikov, V. V. Pul // Mining Journal. M. 2019. No. 2. pp. 21-26.
14. Konovalenko V. Ya. Handbook of physical and mechanical properties of rocks of diamond deposits of Yakutia. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2012. 276 p.
15. Kurlenya M. V., Baryshnikov V. D., Gakhova L. N. Development of an experimental-analytical method for assessing the stability of mining workings // FTPRPI. Novosibirsk. 2012. No. 4. pp. 20-28.
16. Hudson J. A. ISRM suggested methods for rock stress estimation // J. Rock Mech. & Min. Sci., 2003. Vol. 40. No. 7. 8. P. 991-1025.
17. Sknarina N. A. Review of modern hardware for technical monitoring // Engineering Surveys. M. 2014. No. 8. pp. 32-40.
