CC BY
25
© А.М Павлов, Е.А. Мильшин, Л.И. Сосновский, 2008
УДК 622.831
А.М. Павлов, Е.А. Мильшин, Л.И. Сосновский
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЕРЕХОДА ОТ СЕЛЕКТИВНОЙ К ВАЛОВОЙ ВЫЕМКИ СБЛИЖЕННЫХ РУДНЫХ ТЕЛ НА ЗУН-ХОЛБИНСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Семинар № 15
^ ун-Холбинское золоторудное ^ месторождение представлено крутопадающими жилами. Контакты жил с вмещающими породами нечеткие и определяются по данным опробования. Жилы разрабатываются системой разработки с магазинированием руды (10 %), системой с креплением выработанного пространства (33 %), слоями с твердеющей закладкой (57 %). Последние две системы характеризуются высокой трудоемкостью и себестоимостью добычи руды и применяются, в основном, при выемке богатых участков. В настоящее время сырьевая база богатых участков значительно сокращается и рудник вынужден переходить на выемку более бедных руд. Для этого изменена методика оконтуривания рудных залежей с учетом дискретного распределения запасов в недрах. Назрела необходимость снизить объем селективной выемки запасов системами с креплением и закладкой и повысить объем валовой выемки рудных тел, оконтуренных новым способом и имеющим большую мощность. Валовую выемку планируется производить системой подэтажных штреков со скважинной отбойкой руды. Для этой системы необходимо определить параметры устойчивых целиков и обнажений камер с учетом природных и техногенных напряжений горного массива.
Природные напряжения изучались методом оценки формирования тектонических структур с применением фрактального и пространственно-статистического анализа [1]. Проводились натурные измерения напряжений (табл.) горных пород в шахте по методикам ИГД УрО РАН [2, 3]. Определялись значения напряжений на основе решения обратных геомеханических задач на участках проявления горного давления. Результаты исследования природных напряжений позволяют отметить следующее.
В горном массиве горное давление распределено не линейно, а дискретно [1]. Имеются средненапряженные и высоконапряженные участки. На средненапряженных участках вертикальные напряжения характеризуются действиями только гравитационных сил, их тектоническая составляющая очень мала и не превышает минус 0,5 МПа. Горизонтальные продольные и поперечные напряжения имеют как гравитационную, так и тектоническую составляющие. Продольные напряжения апр имеют тектоническую составляющую минус 21,1 МПа, поперечные -
минус 11,6 МПа.
Величины первоначальных напряжений на средненапряженных участках аппроксимируются формулами:
Таблица 1
Данные натурных измерений напряжений массива горных пород
Напряжение Глу- Теорети- Результаты натурных измерений напряжений гор-
бина ческое ных массивов
разра- напря- Число Напряже Отношение Отношение
ботки жение (по еди- ние, продольно- поперечного
гипотезе А. Гейма), МПа ничных определений напряжения МПа го напряжения к вертикально- му Опр/Ов напряжения к вертикально му Оп/Ов
1 2 3 4 5 6 7
Мерзлые породы до глубины 300 м
Вертикальное 50 -1,4 23 -1,6+1,3 2,2 2,1
Продольное -1,4 16 -3,5+1,5
Поперечное -1,4 16 -3,3+1,1
Талые породы до подошвы горы на глубине 530 м
Вертикальное 380 -10,4 12 -11,0+2,1
Продольное -10,4 9 -16,6+1,8 1,5 1,3
Поперечное -10,4 9 -14,6+5,0
Вертикальное 520 -14,3 14 -18,4+5,2
Продольное -14,3 6 -40,1+2,2 2,2 1,2
Поперечное -14,3 6 -22,4+10,7
Вертикальное 530 -14,6 20 -11,3+2,6
Продольное -14,6 12 -26,0+8,6 2,3 1,5
Поперечное -14,6 12 -17,1+0,6
Среднее для глубин 380-530 м. 2,0 1,3
Талые породы ниже глубины 530 м
Вертикальное 1000 -27,5 60 -35,6±13,5
Продольное -27,5 30 -45,3±26,5 0,7 1,7
Поперечное -27,5 30 -59,8±49.3
а = ун ;
а =
пр
ч
1 — ч Ч
1 — ч
Н — 21,1; уН —11,6
(1)
где ов, опр, оп - соответственно вертикальные, горизонтальные продольные и поперечные напряжения горного массива, МПа; у- плотность пород, МН/м3; Н-глубина разработки, м; ц- коэффициент Пуассона.
Анализ 32 случаев проявлений горного давления по вышеприведенной методике позволил выявить, что на высоконапряженных участках (участки про-
явлений горного давления) напряженное состояние имеет следующие закономерности. Вертикальные напряжения характеризуются, в основном, действием гравитационных сил. Горизонтальные продольные напряжения имеют тектоническую составляющую минус 21,2 МПа, поперечные напряжения - минус 20,9 МПа. Тектонические составляющие горизонтальных напряжений возрастают по сравнению со средними условиями, например, у поперечных напряжений они возросли в 1,8 раза. Величины первоначальных напряжений для высоконапряженных участков аппроксимируются формулами:
ап =
н, м
200
400
600
800
1000
-10-
-20
-30-
-40
-50-
МПа
Рис. 1. Зависимости распределения первоначальных напряжений массива горныгх пород в средненапря-женныш зонах: 1 - вертикальное напряжение, 2 - продольное; 3 -поперечное
Рис. 2. Зависимости распределения первоначаль-ныш напряжений массива горныгх пород в выгсоконапряженныш зо-
- вер-тикальное
нах: 1
напряжение поперечное
2 - продольное; 3
=
м
■уН
(2)
=
м
1 — м
уН — 21,2;
20,9.
1 — м
Установлено, что в сред-ненапряженном горном массиве до глубины 530 м (граница подошвы горы) максимальные напряжения действуют по простиранию рудных тел), ниже этой глубины (под горой) максимальные напряжения изменяют свое направление и действуют вкрест простирания рудных структур (рис. 1). В высоконапряженных зонах ориентировка направлений напряжений не изменяется (рис. 2).
Техногенные напряжения в конструктивных элементах систем разработки изучались по методикам [2-5] с учетом выявленных закономерностей природных напряжений. Произведены математические расчеты напряжений в рудном подштрековом целике для глубин 300-100 м. На основе данных расчетов выявлены закономерности изменения напряжений в целике
Мощность рудного тела, м
а
аТМПа б
Рис. 3. Зависимости изменения напряжений в подштрековом целике высотой 5 м (а) и высотой 3 м (б) в средненапряженных зонах: 1-4 - на глубинах соответственно, 300 м, 530 м, 800 м, 1000 м
при селективной выемке запасов (мощность рудных тел составляет 2-5 м) и валовой выемке рудных тел (мощность рудной залежи 5-20 м). Анализ выявленных зависимостей позволяет отметить следующее.
Напряжения в подштрековом целике высотой 3-5 м изменяются в пределах нескольких процентов (рис. 3.). На глубинах 300-530 м напряжения в целиках меньше допустимых, равных минус 50,1 МПа. Допустимые напряжения рассчитывались при стобсж= =-131,2 МПа (сульфидные руды), коэффициенте Кс = 0,5 и Кдл = 1,3 (срок службы целика 2-4 года).
На глубинах ниже 530 м, целик характеризуется неустойчивым состоянием. Напряжения в нем больше допустимых значений. Напряжения в подштре-ковых целиках в высоконапряженных зонах при селективной выемке (т = 2-5 м) больше допустимых (рис. 4). При валовой выемке руды целик также высо-
конапряжен и неустойчив. Однако при мощности рудного тела 18-20 м он может быть менее напряжен и устойчив.
Для обеспечения устойчивости под-штрекового целика, как показывает отечественный опыт геомехаников [2,3] необходимо почву целика создавать шатровой формы, т.е. делать ее не горизонтальной а наклонной. В этом случае, целик будет находиться в более объемном напряженном состоянии и будет выдерживать напряжения в 2-3 раза больше, чем при плоском напряженном состоянии. Рекомендовано камеры отрабатывать не на всю длину, а короткими лентами шириной 10-15 м. В этом случае вокруг камеры создается более объемное напряженное состояние и целики выдерживают большие нагрузки.
Произведены математические расчеты напряжений в стенке камеры в зависимости от выемочной мощности рудных тел (рис. 5).
Мощность рудного тела, м 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Мощность рудного тела, м 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
'МПа аГМПа
а б
Рис. 4. Зависимости изменения напряжений в подштрековом целике высотой 5 м (а) и высотой 3 м (б) в высоконапряженных зонах: 1-4 - на глубинах соответственно, 300 м, 530 м, 800 м, 1000 м
а б
Рис. 5. Зависимости изменения напряжений в стенке камеры в высоконапряженных зонах (а) и средненапряженных зонах (б): 1-4 -на глубинах соответственно, 300 м, 530 м, 800 м, 1000 м
Установлено, при селективной выемке (т = 2-5 м) стенки камер характеризуются растягивающими напряжениями и они неустойчивы. При валовой выемке руды выемочная мощ-
ность рудных тел увеличивается и напряжения на стенке камер характеризуются уже не растягивающими, а небольшими сжимающими напряже-
ниями. Стенки камер при валовой выемке руды будут устойчивы.
Таким образом, установлено, что при валовой выемке руды геомеханическое состояние в конструктивных элементах систем разработки будет более благоприятное, чем при отработке маломощных жил, отрабатываемых селективно. Повышение удельного веса систем разработки с открытым выработанным про-
1. Сосновский Л.И. Механизм возникновения и закономерности пространственного распределения участков с относительно высокой и невысокой степенью естественной напряженности в горном массиве [Текст] / В.А. Филонюк, Л.И. Сосновский, Е.Л. Сосновская // Вестник ИрГТУ. - 2006. - № 2. -С. 93-97.
2. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. -М.: Недра, 1994. - 208 с.
3. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П. Неганов, В.И. Ковален-
странством (подэтажных штреков со скважинной отбойкой) вполне возможно. При этом существенно снизится себестоимость добычи руды и повысится извлечение руды из недр. Методика определения размеров устойчивых целиков и кровли камер используется при проектировании опытных блоков.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ко, Сосновский Л.И. и др.; под редакцией Не-ганова В.П. - М. Недра, 1995. - 336 с.
4. Ким Д.Н. Влияние структуры на сдвиговую прочность массива и определение расчетных механических характеристик / Д.Н.Ким // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ: Сб.научн.тр. /ВНИМИ. - Л., 1969. -Вып. 72. -С.568-585.
5. Руководство по определению безопасных объемов пустот, выбору и расчету изолирующих сооружений при подземной разработке рудных месторождений Киргизии. - Фрунзе: Илим, 1976 . - 50 с. [¡233
— Коротко об авторах -
Павлов А.М. - технический директор ОАО «Бурятзолото», кандидат технических наук; Мильшин Е.А. - главный маркшейдер рудника Холбинский ОАО «Бурятзолото»; Сосновский Л.И. -доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых (РМПИ) Иркутского государственного технического университета, кандидат технических наук.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
© А.М. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский, 2008
УДК 622.831
А.М. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВЫХ ЦЕЛИКОВ И ОБНАЖЕНИЙ КАМЕР ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАКЛОННЫХ ЖИЛ В КРИОГЕННЫХ ЗОНАХ В УСЛОВИЯХ ИРОКИНДИНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Семинар № 15
Я а руднике Ирокинда отрабатываются наклонные жилы малой мощности в условиях многолетней мерзлоты горного массива. Разработка жил ведется, в основном, сплошной системой разработки [3]. Месторождение имеет сложное геологическое строение и тектоническую нарушенность, крайне неравномерное распределение запасов в недрах, ограниченные размеры очистного пространства, многообразие условий по устойчивости руд и вмещающих пород. На устойчивость горных пород влияют физико-механические свойства руды и вмещающих пород, изменчивость формы рельефа кровли, угол падения жилы, тектоническая нарушен-ность, наличие многолетней мерзлоты и др. Температуры пород изменяются от минус 5 ^ до положительных. На глубинах 200-400 м наблюдаются переходные зоны мерзлых пород к талым. Пространственное положение этих зон было установлено путем точечных замеров температур воздуха и горных пород электронными термометрами с последующим составлением на планах горных работ изотерм воздуха горного массива.
В горном массиве выделено два типа переходных зон. Переходная зона I образуется в летний период из-за вентиляции выработок теплым воздухом. Граница этой зоны от устья штолен распространяется до 160 м и ограничивается изотермой воздуха минус 1 °С Переходная зона II существует постоянно независимо от сезонных изменений температур. Границы этой зоны определяются изотермами горных пород от минус 1 ^ до плюс 0.5
°с
В переходных зонах существует «вялая» мерзлота, в которой цементирующий фактор мерзлоты снижается и уменьшается устойчивость пород.
Натурными измерениями напряжений пород методом щелевой разгрузки по методике ИГД УрО РАН [1] установлено, что в условиях многолетней мерзлоты горный массив представляет собой однородную упругую среду, в которой действуют гидростатические напряжения. В условиях переходной зоны напряжения горного массива изменяются. Максимальные напряжения действуют горизонтально вкрест простирания рудной залежи. Они больше вертикальных напряжений в 1, 7 раза. Горизонтальные
Данные натурных измерений напряжений массивов горных пород Ирокиндинского месторождения
Напряжение Глу- Теорети- Результаты натурных измерений напряжений гор-
бина ческое ных массивов
разра- напря- Число Напряже Отношение Отношение
ботки жение (по еди- ние, продольно- поперечного
гипотезе ничных МПа го напряжения
А. Гейма), опреде- напряже- к
МПа лений ния к вер- вертикально
напря- тикально- му Оп/Ов
жения му Опр/Ов
Жила № 35 (многолетнемерзлые породы)
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
Жила № 30 (переходная зона мерзлых пород в талые)
Вертикальное 250 -6.6 32 -6.9
Продольное -6.6 16 -6.6 1.0 1.3
Поперечное -6.6 16 -9.3
Жила Центрально-Тулуинская (переходная зона мерзлых пород в талые)
Вертикальное 250 -6.6 40 -6.3
Продольное -6.6 16 -5.2 0.8 2.0
Поперечное -6.6 16 -12.4
Среднее значение 0.9 1.7
напряжения, действующие по простиранию рудных тел практически равны вертикальным (таблица).
Разработаны методики определения параметров устойчивых целиков и обнажений кровли камер с учетом установленных гравитационно-тектонических напряжений, снижения коэффициента структурного ослабления пород при частичной их оттайке, изменения необходимого коэффициента запаса прочности и допустимых напряжений в массиве пород при
различном влиянии мерзлоты.
Расчеты напряжений в целиках и
кровле камер производились по методике [2, 3]. Условие устойчивости имеет следующий вид
а = К а + К а <ао Кф ; (1)
ц в ц в гц г ооп ф ' VА /
а =аК +аК <ао .
к в вк г гк ооп
где ац, - напряжения в подштрековом целике, МПа; Квц,Кгц - коэффициенты
концентрации напряжении от действия вертикальных и горизонтальных единичных нагрузок в подштрековом целике; ств,стг - напряжения в нетронутом массиве (первоначальные), действующие соответственно вертикально и горизонталь-
но, МПа; ад
предел прочности при
сжатии или растяжении горных пород в массиве, МПа; Кф - коэффициент, учитывающий геометрические размеры целика (коэффициент Церна); стк, - напряжения в кровле камеры, МПа; Квк,Кгк - - коэффициенты концентрации напряжений от действия вертикальных и горизонтальных единичных нагрузок в кровле камеры.
Коэффициенты концентрации напряжений принимаем по номограммам (рис. 1, 2), которые определены на основе оптического моделирования по методике ИГД УрО РАН Г1, 21.
Целики и кровля камеры считались устойчивыми, если расчетные напряжения
5,0
4,6
4,2
| 3,8
Я
в -&
-& 3,4
8 &Й
3,0 2,6
Ширина подштрекового целика, м
Рис. 1. Номограммы коэффициентов концентрации напряжений Квц и Кгц в подштрековом целике при отработке одного этажа (а) и двух этажей (б) наклонной жилы: 1-3 - при
мощности рудного тела соответственно 1, 3, 5 м
б
были меньше допустимых. Допустимые напряжения определялись по формуле:
.об
а„
а
доп
К,
(2)
где адоп - предел прочности на сжатие горных пород в образце, МПа; Кз - коэффициент запаса прочности.
Коэффициент запаса прочности для целиков составляет
Кз = 3 К • К
ф
а
2 40
И 0,4-
н =
Щ
В
я- 0,8
■&
т
£-1,2-
Длина камеры по падению, м
Л [=.
аг\
7П
.75
И 1,4 =
и
&1,0
т
й °,6
40
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
45 50 55 60 65 70 75 Длина камеры по падению, м
Рис. 2. Номограммы коэффициентов концентрации напряжений Квк и Кгк в кровле камеры при отработке одного этажа (а) и двух этажей (б) наклонной жилы: 1-3 - при мощности рудного тела соответственно 1,3,5 м.
б
где Кдл - коэффициент длительной прочности; Кс - коэффициент структурного ослабления; Кф - коэффициент, учитывающий геометрические размеры целика (коэффициент Церна).
Коэффициент запаса прочности для
кровли камер определится = К
"дл
К
(4)
Коэффициент структурного ослабления Кс рекомендуется производить на основе методики ВНИМИ [4] и дифференцированного поправочного коэффициента, учитывающего влияние отрицательных температур пород из выражения
К =
1
0.53(( / 1бл +1.75)
+ 0.315 + Д.
(5)
где I- линейный размер, оцениваемого на прочность участка массива, м; 1бл- линейный размер структурного блока, м; Д - коэффициент, учитывающий влияние отрицательных температур.
Значения коэффициента Д приняты для мерзлых пород равным 0.4 , переходной зоны I - 0.2, переходной зоны II - 0,1 , талых пород - 0.
Коэффициент Кдл принимается по методике [5]
Выявлено, что в породах крепостью £=5-6 значения коэффициента Кз изменяется в широких пределах от 1.3 (время отработки 1=2 года) до 6.9 (1=10 лет). Коэффициент запаса прочности в мерзлых породах значительно меньше, чем в переходных зонах и талых породах. При отработке блока в пределах 2-4 лет коэффициент Кз изменяется всего на 21-24 %, при увеличении времени до 10 лет он
возрастает в 3 раза.
Установлены зависимости понижения допустимых напряжений в массиве
пород при уменьшении влияния мерзлоты. В мерзлых породах допустимые напряжения выше, чем в переходных зонах в талых породах. С увеличением срока отработки блоков как в мерзлых, так и в талых породах допустимые напряжения в целиках и кровле камер резко снижаются, а следовательно возрастает необходимость увеличения размеров целиков.
Таким образом, рациональное вре-мя отработки блоков составляет 2-4 года. При увеличении срока до 10 лет устойчивость целиков и кровли камер снижается более чем в три раза.
Анализ расчетных напряжений в междуэтажных целиках и в кровле камер позволяет отмечать следующее. При отработке жил в многолетне-мерзлых породах целики менее нагружены, чем при выемке запасов в переходной зоне (рис. 3). Однако, допустимые напряжение в них в 1.5 раза выше. Целики шириной 3 м как в талых, так и в переходной зоне будут устойчивы. Кровля очистных камер имеет сжимающие напряжения меньше допустимых и поэтому тоже характеризуется устойчивым состоянием как в мерзлых породах, так и при их
частичной оттайке (рис. 4).
Для оценки достоверности предлагаемых методик были проведены натурные измерения напряжений в трех подштрековых целиках и на пяти участках в кровле камер жилы Центрально-Тулуинская на глубине 200-250 м. Напряжения в междуэтажных целиках составляют минус 7,0±2,6 МПа. Расчетные напряжения составляют в междуэтажном целике шириной 6 м (надштрековый целик 3 м, подштре-ковый целик 3 м) составляют - 9,0^-14,0 МПа. Напряжения в кровле выработанного пространства составляют минус 4,3±1,8 МПа. Расчетные
О,,, мп II
Рис 3. Графики напряжений в междуэтажных целиках в мерзлых породах (а) и в переходной зоне к талым (б) в зависимости от ширины междуэтажного целика:
1-4, соответственно для глубины разработки 200,300,400,500 м.
б
а
а
30
эр /„, м
<Х. МПа
Рис. 4. Графики напряжений в кровле очистной камеры в мерзлых породах (а) и в переходной зоне к талым (б) в зависимости от длины камеры: 1-4, соответственно для глубины разработки 200,300,400,500 м
б
напряжения составляют примерно -2,3^-5,0 МПа. Измеренные и расчетные напряжения практически равны. Отклонения их данных не превышают погрешности измерений напряжений.
Таким образом, применяемые физические и математические мо-
дели соответствуют реальному состоянию массива горных пород, и поэтому предлагаемые методики определения размеров устойчивых целиков и обнажений камер можно использовать в горной практике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. -М.: Недра, 1994. -208 с.
2. Технология разработки золоторудных месторождений / В.П. Неганов, В.И. Коваленко, Сосновский Л.И. и др.; под редакцией Неганова В.П.- М. Недра, 1995. - 336 с.
3. Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты / Л.И. Сосновский, А.М. Павлов, В.А. Филонюк и др.// Горный информационно-аналитичес-кий бюллетень. -2006. - № 11. - С. 77-83.
4. Ким Д.Н. Влияние структуры на сдвиговую прочность массива и определение расчетных механических характеристик / Д.Н.Ким // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ: Сб.научн.тр. /ВНИМИ. - Л., 1969. -Вып. 72. -С.568-585.
5. Руководство по определению безопасных объемов пустот, выбору и расчету изолирующих сооружений при подземной разработке рудных месторождений Киргизии. -Фрунзе: Илим, 1976 . - 50 с. ГГШ
— Коротко об авторах -
Павлов А.М. - технический директор ОАО «Бурятзолото», кандидат технических наук;
Семенов Ю.М. - начальник технического отдела ОАО «Бурятзолото»;
Сосновский Л.И. -доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых
(РМПИ) Иркутского государственного технического университета, кандидат технических
наук.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 15 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГОЛУБЕНКО Ирина Сергеевна Количественная оценка пространственного размещения геологических объектов и золоторудной минерализации Де-гдекан-Арга-Юряхтского рудно- 25.00.35 к.г.-мн.н.
россыпного узла
