CC BY
66
УДК 627.82.012.3.4 : 539.3
В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ОТРАБОТКИ ПОКРЕНЫХ ЗАПАСОВ НА РУДНИКЕ «АЙХАЛ»
V.D. Baryshnikov, L.N. Gakhova
Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Science, Novosibirsk, Russia
GEOMECHANICAL SUPPORT FOR DEVELOPMENT OF RESERVES UDER AN OPEN-PIT BOTTOM IN TERMS OF THE AIKHAL MINE
The analysis of stress-strain state of the formed ore roof was performed for the underground mining of ore below a pit bottom by the slice mining with hardening fill. The complete observation methods and instruments for the ore roof state control were proposed to provide the protection of mine workings from intrusion of watered silts at the pit bottom. When mining the «undercut» stratum, parameters of ore mass convergence were evaluated and the recommendations for mining operations were worked out and proposed.
Кимберлитовая трубка «Айхал» акционерной компании «Алмазы России Саха» (Якутия) расположена в районе многолетнемерзлых пород, мощность которых составляет 400-450 м. Вмещающие породы представлены глинистокарбонатными отложениями с прослоями мергелей. Прочность пород на сжатие стсж = 30-60 МПа, залегание слоев - субгоризонтальное. Рудное тело субвертикального падения, разведанное до глубины 900 м (а.о. - 400 м), локализуется в продольно-осевой зоне трещин отрыва северо-восточного простирания и имеет эллипсовидную форму с соотношением осей «1:7. На глубине ниже 120 м от поверхности единое рудное тело разделяется на две части: юго-западное рудное тело (ЮЗРТ) и северо-восточное (СВРТ). Верхняя часть месторождения отработана карьером до глубины 320 м с отметками дна карьера на ЮЗ участке +235 м, а на СВ - +205 м (а.о. зумпфа +195 м).
Отработку подкарьерных запасов по условиям безопасности решено производить с применением слоевой камерно-целиковой системы разработки и твердеющей закладки. Защита горных выработок от прорыва обводненных илов на дне карьера и водопритоков, вызванных атмосферными осадками в весенне-летний период, предусматривается путем оставления рудной потолочины, минимально допустимый размер которой определен величиной 25 м.
Ведение закладочных работ отработанного пространства осуществляется через вентиляционно-закладочный штрек (ВЗШ), пройденный в рудной потолочине в отм.+163 + +175 м. Размер предохранительного целика над ним принят равным 8,5 м.
Для снижения риска затопления горных выработок формирование потолочины производилось путем первоочередной выемки 3-го слоя. После
его отработки сформирована потолочина толщиной 35 м. В случае благоприятной геомеханической ситуации в северо-восточной части планировалось последовательно в восходящем порядке отрабатывать слои 2 и
1, при этом контур кровли слоя 1 подходит к границе опасной зоны.
Деформации подрабатываемой рудной толщи, определяющие изменение фильтрационных параметров массива, способствуют формированию зон, потенциально опасных с точки зрения образования водопроводящих трещин. Для своевременного принятия мер по обеспечению безопасных условий отработки необходим контроль за изменением параметров процесса сдвижения и деформаций рудной потолочины по мере развития очистных
работ. Выбор состава наблюдений, участков заложения замерных станций и контролируемых параметров осуществлен с учетом результатов численных расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) и оценок ожидаемых параметров сдвижения рудной потолочины при
последовательной отработке слоев
3—>2—> 1.
При проведении численных расчетов механические свойства кимберлита приняты по результатам испытаний керна из
геологоразведочных скважин на отм. +180 м: о-сс^ «12 МПа, <т^»1,1 МПа,
коэффициент Пуассона V = 0,25; модуль Юнга Е = 10 ГПа. Исходное напряженное состояние массива горных пород в расчетной модели принято в соответствии с проектными данными: вертикальные напряжения ст у = уН,
горизонтальные <ух = ЛуН ;
Я = 0,5. Задача решалась для реальной геометрии карьера.
Для оценки изменений НДС рудной потолочины и ВЗШ, попадающего в зону влияния очистных работ, проведены модельные расчеты с применением метода граничных интегральных уравнений [1]. Поскольку размер СВРТ по длинной оси составляет около 350 м, а по короткой - 30 м 4- 60 м, правомерно использовать в расчетах плоскую модель. НДС рудной потолочины характеризуется практически полной разгрузкой от вертикальных напряжений (рис. 1). В этом случае горизонтальные напряжения (сгх) являются определяющими при анализе и оценке устойчивости потолочины.
(а)
Рис. 1. Вертикальные напряжения в массиве подкарьерной толщи пород: а - после отработки подсечного слоя
(слой 3); б - после отработки слоев 3—>2—>• 1
Области запредельного деформирования О* > 12 МПа) имеют место в массиве ниже дна карьера, охватывая 5-метровую зону подкарьерной толщи (рис. 2). По мере последовательной отработки слоев 3—>2—>\ (тх в центральной части потолочины значительно возрастают (до 14 МПа) у верхней границы, а на нижней (в кровле отработанных слоев) увеличиваются от - 2 МПа (слой 3) до
4 МПа (слои 3-1) [3].
Рис. 3 иллюстрирует изменение горизонтальных деформаций,
вызванных формированием подсечного слоя N3 и последующей отработкой слоев 2 и 1.
Анализ результатов расчетов НДС формируемой рудной потолочины позволил сделать следующие выводы:
1. Локализация зоны
запредельного деформирования у югозападного борта карьера вызвана большей его высотой по сравнению с северо-западным бортом (на ~ 65 м).
Увеличение по мере отработки слоев области запредельного деформирования верхней части рудной потолочины приводит к уменьшению её эффективной мощности.
2. Основная часть рудной
потолочины (верхняя) под ведением очистных работ испытывает
дополнительное обжатие, что не создает условий для раскрытия трещин в рудном массиве, и, следовательно, не способствует возрастанию водопритоков со дна карьера (прежде всего в ВЗШ).
3. Наиболее опасной с точки зрения
формирования водопроводящих трещин (помимо возможных тектонических нарушений) является зона в кровле очистного пространства, где имеют место дополнительные растягивающие деформации. По мере развития очистных работ эта зона увеличивается (рис. 3). Развитие деформационных процессов и выделение границ запредельного деформирования нижней части потолочины подлежат обязательному контролю.
растягивающих горизонтальных деформаций (106) после выемки 3-го слоя (а) и 3, 2 слоев (б)
4. Влияние очистных работ приводит к формированию зон неупругого деформирования контура ВЗН, что эквивалентно уменьшению размера предохранительного целика над ним.
На рис. 4 приведены эпюры вертикальных смещений
рудного массива по оси ортов, пройденных из ВЗШ (отм. + 168 м) при последовательной
отработке слоев 3, 2,1. Максимальные вертикальные осадки почвы ортов пройдут
после отработки подсечного
слоя. Суммарная величина
вертикальных осадок почвы ортов достигают 40 - 43 мм, что позволяет использовать для контроля процесса сдвижения рудного массива профильные линии, оборудованные в их почве или бортах.
Проведенный анализ позволил рекомендовать зоны контроля развития деформационных процессов в рудной потолочине и методы, направленные на обеспечение безопасных условий ведения горных работ [4]: наблюдения за деформациями и зоной расслоения кровли ВЗШ следует проводить с использованием контурных реперов; наблюдения за развитием вертикальных осадок рудного массива потолочины - по реперам профильных линий;
наблюдения за
расслоением кровли очистного пространства - с использованием станций глубинных реперов.
Для организации наблюдений из ВЗШ специально пройдены вкрест простирания рудного тела орты № 1 и № 2. Схемы размещения наблюдательных станций на рис. 5.
В качестве иллюстрации опыта применения системы контроля приведем графики оседаний реперов профильной линии в орте № 1 (рис. 6). Следует отметить, что теоретическая кривая, построенная по данным численных
- опорный репер
X - промежуточный репер © - контурные и глубинные репера
- профильная линия
I
11.8
Рис. 5. Схема размещения наблюдательных станций.
Рис. 4. Смещения массива в вертикальном направлении по оси разрезного орта на отм. +168 м
расчетов оседаний почвы орта с учетом модуля упругости по испытаниям керна (Е = 10 ГПа) в последующем была уточнена по результатам продольного сейсмического профилирования вдоль всей длины ВЗШ (в ноябре 2006 г интегральные значения модуля упругости составили Е = 7 ГПа). Результаты наблюдений позволяют отметить следующее: вертикальные смещения (осадка) почвы орта, вызванные его подработкой слоем № 3, близки расчетным значениям, полученным после корректировки модуля упругости геофизическим методом на завершающем этапе ведения очистных работ; оседание реперов профильных линий с мая 2006 г по 20.07.2006 г существенно не изменилось, что также свидетельствует о стабилизации сдвижений в нижней части потолочины.
Рис. 6. Вертикальные смещения реперов профильной линии в орте N 1
В заключение отметим, что предложенный комплексный подход, основанный на использовании лабораторных, численных и натурных методах исследований, позволяет контролировать развитие деформационных процессов формируемой рудной потолочины. Полученная информация является основой для принятия технических решений по стабилизации процесса сдвижений рудного массива: усиления крепи ВЗШ для сохранения размеров предохранительного целика в пределах расчетных значений (8,5 м); прекращения дальнейшей отработки запасов в восходящем порядке при достижении вертикальными смещениями реперов профильной линии расчетных значений, полученных для допустимой толщины рудной потолочины (25 м).
Работа выполнена при финансовой поддержке института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гахова Л.Н. Программа расчета напряженно-деформированного состояния массива блочной структуры методом граничных интегральных уравнений (ELB2D). РосАПО. Свид. об офиц. регистр. №960814 от 17.12.2004.
2. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. НДС подкарьерного массива в условиях слоевой отработки запасов ниже дна карьера / Труды междунар. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН. - 2005 - С. 255-261.
3. Барышников В.Д., Гахова Л.Н., Крамсков Н.П., Черепнов А.Н. Контроль состояния рудной потолочины при переходе от открытой к подземной разработке кимберлитовой трубки «Айхал» АК-«АЛРОСА» трубок / Труды междунар. конф. « Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика». - Бишкек. - 2006. - С. 228-233.
4. Барышников В.Д. Контроль устойчивости прибортового массива в зоне перехода от открытой к подземной разработке месторождения // Горный журнал. - 2006. - № 10. - С. 91-94.
© В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова, 2008
