Геомеханическое обоснование возможности разработки Тейского железорудногоместорождения на больших глубинах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.М. Серяков, Г.П. Ермак, А.А. Терещенков, 2010

УДК 622.272

В.М. Серяков, Г.П. Ермак, А.А. Терещенков

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРАБОТКИ ТЕЙСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Приведены расчеты напряженно-деформированного состояния среды в выбранных сечениях, сводящихся к решению двумерных задач механики горных пород, что позволяет достаточно быстро построить геомеханическую модель отработки Тейского месторождения.

Ключевые слова: железорудное месторождение, приконтурный массив, горные породы.

Неделя горняка

ЖЭажной задачей при открытой

-Ж.} разработке месторождений полезных ископаемых является задача обеспечения устойчивого состояния бортов карьеров [1]. Увеличение глубины отработки карьеров, рост площади обнажения массива вызывает постепенное ухудшение степени устойчивости пород в прибортовой зоне. Рассчитанные с некоторым запасом углы наклона бортов и параметры уступов приводят к тому, что через несколько десятилетий эксплуатации месторождения размеры площади дна карьера становятся столь малыми, что возникает вопрос либо о его закрытии, либо о дальнейшей отработке подземным способом.

В полной мере эти вопросы стоят и перед техническими службами Тейского железорудного месторождения. При современном состоянии горных работ и запланированных объемах отработки запасов месторождения хватит лишь на несколько лет. Из-за сужающегося фронта выемки годовая добыча постоянно падает. В этих условиях сохранение объемов добычи возможно путем подготовки вариантов открытой разработки Тейского месторождения ниже проектной отметки. Основным вопро-

сом, который необходимо будет решить при увеличении глубины карьера, будет вопрос обеспечения устойчивости бортов и уступов. Особую актуальность на месторождении он приобретает вследствие уже имевшихся ранее случаев опасных деформаций приконтурного массива.

Анализ степени устойчивости при-контурного массива невозможен без оценки напряженно-деформирован-ного состояния окружающего массива горных пород. Одним из эффективных методов такой оценки является математическое моделирование. После построения математической модели месторождения с ее помощью можно исследовать различные способы и последовательности отработки запасов полезных ископаемых, анализировать и выбирать из них оптимальные с точки зрения геоме-ханического состояния породного массива.

Напряженно-деформированное состояние массива горных пород в районе отработки месторождения определено методом конечных элементов [2, 3] для двух наиболее характерных вертикальных сечений. Одно из них представляет разрез месторождения в направлении

Север-Юг, второе - в направлении Запад-Восток. Расчеты напряженно-дефор-мированного состояния среды в выбранных сечениях сводятся к решению двумерных задач механики горных пород, что позволяет достаточно быстро построить геомеханическую модель отработки Тейского месторождения. Безусловно, такая постановка является приближением реальной ситуации, однако найденные в предположении плоской деформации напряжения по сравнению с другими постановками будут представлять наибольшие значения критических напряжений в зонах концентрации, что заведомо позволит установить потенциально опасные области массива горных пород с точки зрения разрушения [4].

Расчетная область задачи выбрана прямоугольной. Ось Ох направлена по горизонтали, Оу — по вертикали. Верхняя горизонтальная граница расчетной области свободна от напряжений, т.е.

^ ^ (1) где Оу — вертикальная, т — касательная компоненты тензора напряжений.

На нижней границе области расчета заданы

У = 0 Тху = 0 , (2)

здесь V — вертикальная компонента вектора перемещений.

Одна из боковых границ закреплена от перемещений в горизонтальном направлении

и = 0 Тху = 0 , (3)

где и представляет собой горизонтальную компоненту вектора перемещений.

На другой вертикальной границе предусмотрена возможность задания различных исходных горизонтальных напряжений Ох

°х = Л^у , ?ху = 0 , (4)

здесь Л — коэффициент бокового распора.

Связано это с тем, что особенности геологического строения массива горных пород в районе отработки Тейского месторождения говорят о возможности формирования здесь значительных исходных тектонических напряжений. Специальных исследований по их определению не проводилось, поэтому при постановке краевых условий предусмотрена возможность рассмотрения вариантов с различными значениями исходных горизонтальных напряжений. При Л = V /1 - V, где V — коэффициент Пуассона породного массива, исходное напряженное состояние, определяется весом пород и тектоника отсутствует (гипотеза Динника). Если Л = 1, то исходное напряженное состояние является гидростатическим, т.е. Ох = Оу . При

Л > 1 в массиве действуют тектонические напряжения, превышающие вес налегающей толщи пород. В каждом конечном элементе заданы объемные силы, моделирующие вес пород. На границах контакта разновидностей горных пород предполагаются выполненными условия жесткого контакта.

В результате проведения каждого из рассмотренных ниже вариантов расчета в конечных элементах, на которые разбивается расчетная область, определяются смещения узловых точек, компоненты тензоров напряжений и деформаций. Основной анализ напряженно-деформированного состояния выполнен для наиболее информативных компонент тензора напряжений; главных напряжений о1, <Г2 и максимального касательного напряжения — Тмах. Выбор таких компонент продиктован тем, что

Таблица 1

Физико-механические свойства пород Тейского месторождения

Свойства пород Из- вест няк Метасома- тическая руда Брекчия эффузивных пород Руда гематит-маг-нетитовая Эффузивы кислого состава Габб- родио- рит

Плотность, кг/м3 2780 2960 2880 3230 2880 2890

Объемная масса, кг/м3 2760 2940 2850 3220 2830 2870

Водопоглощение, % 0,26 0,29 0,29 0,19 0,52 0,24

Пористость, % 0,85 1,03 0,96 1,0 1,45 0,68

Сопротивление сжатию, МПа в сухом состоянии в водонасыщенном 96,3 51,6 127,4 124,2 115,4 70,8 ,5 ,6 97 96,8 81,3 97,3 87,1

Коэффициент размягчения 0,78 0,82 0,80 0,86 0,87 0,90

Сопротивление срезу, МПа 86,6 68,6 87,7 72,2 119,4 —

Динамическая прочность — 12,8 — 13,9 — —

Абразивность — 2,2 — 2,4 — —

Объединенный показатель сопротивления разрушению — 48,4 — 59,6 — —

СТ1 дает возможность установить области массива, в которых действуют растягивающие напряжения. Определение областей растяжения важно с точки зрения разрушения массива, так как вмещающие породы и рудное тело имеют значительно более низкий предел прочности на растяжение, чем на сжатие. С

помощью <Г2 определяются места концентрации сжимающих напряжений. Исследованиями характера распределения Тмах устанавливаются области массива горных пород, где возможно разрушение за счет возникновения критических сдвигающих усилий.

Физико-механические свойства горных пород, слагающих Тейское месторождение, и геомеханические условия отработки изучены слабо. Для основных пород месторождения определены плотность у, сопротивление сжатию в сухом и водонасыщенном состоянии, сопротивление срезу (табл. 1). Кроме того,

имеются данные о пористости, водопо-глощении, коэффициентах размягчения.

Прямые же измерения деформационных характеристик пород, таких как модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона V, влияющих на значения смещений, деформаций и напряжений массива горных пород, возникающих при отработке месторождения, не проводились. Вместе с тем величины пределов прочности горных пород на сжатие и сдвиг позволяют установить диапазон изменения физико-механических свойств. Установленные на основе статистического анализа данных экспериментального исследования значений механических характеристик горных пород зависимости, позволяют заключить, что породы Тейско-го месторождения относятся к весьма крепким и границы изменения их модуля Юнга заключены в диапазоне 4000060000 МПа, коэффициента Пуассона — 0,2-0,3 [5,6]. При определении напря-женно-де-формированного состояния

—

п.

в

- -7.5

і.ї 5 125

■

л

шм

ИННИН

дддддддди»

ІШУІУІГ

■'-4.1.25

2.5

■■

7.5

б

Рис. 1. Распределение компонент напряжений в вертикальном сечении месторождения при отсутствии тектонической составляющей в исходном поле напряжений: а) первое главное напряжение а1; б)

второе главное напряжение а2; в) максимальные касательные напряжения тмах

прибортового массива был проведен ряд предварительных расчетов с изменением физико-механических свойств пород в данных пределах, который показал, что характер распределения компонент напряженного состояния практически не зависит от величин Е и V, а определяется конфигурацией очистного пространства, весом пород и начальным напряженным состоянием массива. Исходя из этого, в дальнейшем анализ напряженного состояния проведен для следующих значений деформационных характеристик массива горных пород: вмещающие породы Е = 40000 МПа, V = 0,2, у = 3000

кг/м3; рудное тело Е = 45000 МПа, V = 0,25, у = 3300 кг/м3.

На рис. 1. приведены результаты расчета напряженного состояния массива для сечения Тейского месторождения в направлении Север-Юг при развитии горных работ ниже проектной отметки при исходном поле напряжений, в котором отсутствует тектоническая составляющая. Все напряжения даны в МПа. При-бортовой и подкарьерный массивы находятся в разгруженном от исходных напряжений состоянии по всем компонентам

а)

:1 I? :1 II :1

иИИИИИИИи

Я

■■■ ■ ■■.

Миш ~ .„11111811

а—як! ч ■..аДИИИИИ

■

'Ш1

I П ;: ■■ ■■ |1.-г»-;»

ИИИииииииИйи

гййьь~44-~-~

10 ;>: ш

ШВВш

гшВВ

во

ШУШ

ГЗв!

б)

Рис. 2. Характер распределения напряжений в районе отработки при исходной горизонтальной компоненте вх = 2,5уН: а)

первое главное напряжение а1; б) второе главное напряжение о2; в) максимальные касательные напряжения тмах

а)

Рис. 3. Значения коэффициента устойчивости верхностях скольжения при различном исходно.

нических усилий; б) при исходных ах = 2,5уН

тензора напряжений. Небольшая область растяжения формируется лишь в породах дна карьера. Некоторая несим-метрия распределения напряжений в се-

на некоторых потенциально возможных пои состоянии массива: а) при отсутствии текто-

верном и южном бортах карьера вызвана их различной высотой. Анализ распределения главных и максимальных касательных напряжений дает возмож-

а)

ность заключить, что значительных областей возникновения растягивающих напряжений в приконтурном массиве не наблюдается. Не формируются и зоны концентрации сжимающих и максимальных касательных напряжений (рис. 1 б, в). При действии в рассматриваемом регионе значительных тектонических напряжений( ах = 2,5уН ) в подкарьер-ном массиве образуется обширная область, где напряжения сжатия превышают значение -100 МПа (рис. 2, б). Такие напряжения сравнимы с пределами прочности горных пород на сжатие. В бортах карьера с увеличением исходных тектонических напряжений появляется значительное количество зон с действием растягивающих напряжений (рис. 2, а). Хотя значения растягивающих напряжений в них не превышают 2 МПа, вследствие малых величин пре-

Рис. 4. Характер распределения напряжений в районе отработки при исходной горизонтальной компоненте о = 2,0уН: а) первое главное напряжение о}; б) второе главное напряжение ^ в) максимальные касательные напряжения Тмах

делов прочности на растяжение, в отмеченных зонах возможен процесс трещинообразования и разрушения массива.

Оценка устойчивости бортов карьера, основанная на определении удерживающих и сдвигающих сил, проводилась для ряда возможных поверхностей скольжения. На каждой из них определялся функционал прочности

I [с(1) + tgp(l )ап (1)^1

Р =1-------------------------,

1 К (I ¥1

,

где &п (I) , Тп (I) — нормальные и касательные компоненты напряжений на площадках, касательных к линии L; с(1) , р(1) — величины сцепления и угла внутреннего трения на этих же площадках. Значение Р, представляет

Рис. 5. Значения критерия устойчивости для некоторых потенциально возможных поверхностей скольжения: а) при отсутствии тектонических усилий; б) при исходных ох = 2уН

собой величину так называемого коэффициента запаса устойчивости.

Так как в бортах карьера не установлено наличия протяженных поверхностей скольжения, обусловленных тектоническими нарушениями, то потенциально опасные поверхности скольжения были выбраны плавными криволинейными линиями, начинающимися в основании карьера. На рис. 3 приведены некоторые из рассмотренных поверхностей скольжения с указанием соответствующих им значений коэффициента запаса устойчивости на всех рассмотренных поверхностях скольжения к > 3, что достаточно для обеспечения устойчивого состояния бортов карьера. Наименьшие значения к соответствуют исходному напряженному состоянию, в котором отсутствует тектоническая составляющая (условие Динника). С увеличением горизонтальной компоненты исходного поля напряжений величина коэффициента запаса устойчивости на всех рассмотренных поверхностях скольжения растет.

При оценке напряженного состояния вмещающих пород и устойчивости бортов карьера для сечения месторождения в направлении Запад-Восток также рас-

смотрены несколько вариантов исходного поля напряжений. Результаты расчетов для одного из них приведены на рис. 4.

Также как и раньше, повышение значений исходных ох вызывают соответствующее увеличение сжимающих и максимальных касательных напряжений в подкарьерном массиве. В бортах карьера с увеличением исходных тектонических напряжений появляется значительное количество зон с растягивающими напряжениями о1. Хотя величины растягивающих напряжений в них не превышают 2 МПа, вследствие малых значений пределов прочности на растяжение, здесь также возможно нарушение сплошности массива и возникновение зон повышенной трещиноватости.

Для ряда потенциально возможных поверхностей скольжения массива в сечении Запад-Восток рассчитаны коэффициенты запаса устойчивости k при различных исходных полях напряжений. На рис. 5 приведены некоторые из рассмотренных поверхностей с указанием соответствующих значений коэффициента k. Можно видеть, что на всех поверхно-

стях к >4, что достаточно для обеспечения устойчивого состояния бортов карьера. С увеличением значения горизонтальной компоненты исходного поля напряжений величины коэффициента запаса устойчивости на всех потенциально возможных поверхностях скольжений растут.

Выводы

При отработке Тейского рудника ниже проектной отметки борта карьера будут находиться в устойчивом состоянии.

В массиве горных пород, расположенном ниже отметки дна карьера, формируются зоны концентрации сжимающих горизонтальных и вертикальных напряжений. Значения напряжений

1. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. — М.: Недра, 1965.

2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975.

3. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в механике. — М.: Недра, 1987.

в этих зонах определяются уровнем исходных горизонтальных тектонических напряжений.

При исходных тектонических напряжениях Сх, превышающих уН , в бортах карьера возникают области действия растягивающих напряжений. Число этих

зон определяется уровнем исходных Сх

и увеличивается с их ростом.

Максимальная величина растягивающих напряжений не превышает 2 МПа, что ниже пределов прочности пород Тейского месторождения на растяжение.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Курленя М. В., Серяков В. М., Еременко А. А. Техногенные геомеханические поля напряжений. — Новосибирск: Наука, 2005.

5. Введение в механику скальных пород / Под ред. Х. Бока. — М.: Мир, 1983.

6. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Кас-парьян Э. В. Основы механики горных пород. — Л.: Недра, 1989.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------

Серяков В.М. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИГД СО РАН, [email protected]

Ермак Г.П. - кандидат технических наук, директор Тейского филиала ОАО «Евразруда», Терещенков А.А. - главный инженер Тейского филиала ОАО «Евразруда».