Исследование геомеханического состояния породного массива при выемке полиметаллических руд системой разработки с закладкой Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© A.A. Еременко, B.A. Еременко, P.A. Доев, O.A. Коврыгин, 2013

УДК 622.235; 622.2

А.А. Еременко, В.А. Еременко, P.A. Доев, O.A. Коврыгин

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ВЫЕМКЕ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ С ЗАКЛАДКОЙ

Дана оценка геомеханического состояния породного массива при выемке камер без и с закладкой выработанного пространства на месторождении. Установлено влияние объема выработанного пространства на величины напряжений и распределение зон неупругих деформаций в массиве горных пород. Ключевые слова: напряжения, зоны деформаций, система разработки, руда.

При переходе горных работ на нижерасположенные участки Артемьевского месторождения резко ухудшаются условия эксплуатации наклонных залежей богатых полиметаллических руд, которые часто окружены неустойчивыми породами большой мощности, при этом изменяются физико-механические свойства горных пород. Кроме того, отработка рудных запасов производится системами разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства в нисходящем и восходящем порядке, а также камерно-целиковой с твердеющей закладкой. 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 с обеспечением управления геомеханическими процессами в районе выемки камер, целиков, а также контактов рудных залежей и неустойчивых вмещающих горных пород, где наблюда-

ется конвергенция в выработках и обрушение горных пород. Особое место занимают исследования по установлению влияния масштаба горных работ на напряженно-деформированное состояние массива и интенсивность разрушения камер.

Рудные залежи Артемьевского месторождения располагаются в мощной зоне дробления, находящейся на контакте пород гериховской и талов-ской свит. Породы гериховской свиты слагают висячий бок рудных залежей, таловской свиты — лежачий бок. В пределах рудного поля широкое распространение имеют магматические породы. Среди них выделяются девонские субвулканические образования, комплекс порфиров каменноугольного возраста, змеиногорский комплекс гранитоидов и комплекс поздних малых интрузий [1]. На Ар-темьевском месторождении выделено семь рудных залежей (с северо-запада на юго-восток): Камышинская, Основная, Промежуточная, Восточная, Юго-Восточная, Западная и Центральная. Основная часть Камышин-ской залежи отработана Камышин-

Масштаб 1:2000

Рис. 1. Продольная вертикальная проекция Артемьевского рудника

ским карьером. Наиболее крупной залежью месторождения является Основная. В ней сосредоточено 53% всех запасов месторождения.

Основная залежь расположена на глубинах от 160—200 м на северо-западе до 600 м на юго-востоке. По простиранию залежь прослежена на 1300 м. В плане залежь имеет неправильную форму. Наблюдаются резкие изменения угла ее падения (от 0 до 60°), ширины (от 60 до 400 м) и мощности с раздувами и пережимами по падению и по простиранию. Основная залежь представлена Главным рудным телом и серией сопровождающих его рудных линз со стороны обоих контактов (рис. 1).

Главное рудное тело представляет собой линзу сложной формы. Она

имеет общее склонение на юго-восток под углом 10—15°. Углы падения его изменяются от 0 до 10—30°, достигая на отдельных участках 60°. В юго-западной и центральной частях угол падения составляет 20—40° в юго-западном направлении. Горизонтальная часть рудного тела представляет собой компактную плиту с резкими перепадами мощности от 8 до 42 м и отдельными пережимами до 2 м. Сплошность рудного тела иногда нарушается дайками плагиогранит-порфиров.

Артемьевское колчеданно-полиме-таллическое месторождение представляет собой систему пластообраз-ных залежей мощностью до 500 м [2]. Годовая производительность рудника равна 1,5 млн т/год.

а) б)

Рис. 2. Схема расположения камер (К-2с, К-5, К-6, К-8) и распределение сжимающих напряжений (-4ч -32 МПа) в блоке 5Б на гор. 4,. а ,б - напряжения в направлениях Ь2; I - обрушение в бортах камер; 7а - 7а - разрез

а) б)

Рис. 3. Распределение горизонтальных (а) и вертикальных (б) напряжений (МПа) в районе камер К-2с, К-5, К-6, К-8 (разрез 7а - 7а). К =3, 4 - категория устойчивости

Институтом ВНИИцветмет изучалась возможность проявления горного давления в динамической форме на Артемьевском месторождении при ведении горных работ. Выполненная оценка напряженного состояния массива горных пород показала, что в массиве месторождения действуют силы тяжести налегающей толщи пород от поверхности до глубины расположения очистных выработок, по-

этому возникновение динамических явлений возможно с критической глубины не менее 1000 м [2, 3].

Высокая ценность руд и их пожа-роопасность предопределили применение систем разработки с закладкой выработанного пространства.

• Система горизонтальных слоев с закладкой в нисходящем порядке

Подготовка блока включает проходку штреков и транспортных заез-

дов на уровне откаточного горизонта, наклонного съезда под углом 6-12° между верхним и нижним горизонтами, рудоспусков и вентиляционно-закладочных восстающих. В зависимости от условий наклонный съезд располагают в рудном теле или во вмещающих породах [1, 2].

• Система горизонтальных слоев с закладкой в восходящем порядке

Сущность восходящей слоевой выемки руды с первоочередной отработкой вертикальной разрезной ленты состоит в разделении выемочного участка на вертикальные ленты, ориентированные по восстанию залежи. Их отработка осуществляется слоями снизу вверх с закладкой и оставлением между кровлей слоя и закладкой свободного технологического пространства. Восходящий порядок может применяться при разработке руд устойчивых и средней устойчивости.

• Подэтажно-камерная система разработки

Подэтажно-камерной системой разработки допускается отрабатывать участки сплошных полиметаллических и медно-колчеданных руд с устойчивостью выше средней и мощностью более 8—10 м. Устойчивость пород кровли в период очистной выемки и закладки обеспечивается отбойкой камер с допустимыми пролетами. Для исключения смешивания разных технологических сортов руды отрабатываемые камеры располагаются в одном технологическом сорте руды.

Следует отметить, что на некоторых участках Артемьевского рудника из-за отставания закладочных работ началось обрушение руды и налегающих пород, что приводит к потерям и разубоживанию руды, а также к увеличению объема подготовительно-восстановительных работ.

Методом математического моделирования выполнена оценка геомеханической обстановки при ведении горных работ на месторождении [4].

Исходное напряженное состояние

ВД тт0

нетронутого массива — сту = -уН ,

ВД л т т0 л 1 ад ад

стх = -ЛуН , при Х=1, где сту ,стх — соответственно вертикальный и горизонтальный компоненты напряжений, X — коэффициент бокового распора, у — объемный вес пород, МН/м3, Н0 — глубина расположения исследуемой области. Физико-механические свойства околорудной зоны учитывались интегрально в зависимости от типов вмещающих пород и руд.

В математической модели горный массив предполагается однородным изотропным материалом. Задачи решались методом граничных сингулярных интегральных уравнений [4, 5].

Результаты расчетов представлены в виде графиков изолиний компонентов тензора напряжений (ох, оу), максимальными касательными напряжениями (тху) и напряжениями о5, сравниваемыми со сцеплением массива и позволяющими для анализа воспользоваться критерием Кулона-Мора [6, 7]:

С учетом коэффициента структурного ослабления сцепление массива С" = С-к. Зоны массива, в которых рассчитанные сдвигающие напряжения превосходят сцепление массива (ст5 > См), являются зонами возможного неупругого деформирования (возможного разрушения). В условиях вариантной информации о породах налегающего массива зоны неупругого деформирования представляются для возможных максимальных и минимальных значений сцепления массива. Налегающий массив блоков представлен алевролитами (к = 0,2—0,3, С = 14, ф = 40°), порфиритами (к = 0,25-

-40 -20 а 20 од из ео юо 120 ,¿1 а Л" А и й юп 1x1

Рис. 6. Распределение напряжений (МПа) по простиранию (а) и вкрест простирания (б) камер К-12, К-4ю, К-5 ю, К-6 ю, К-25 (в плане). 7 - 7, 0 - 0 - вертикальные разрезы

Рис. 7. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) в окрестности камер К-12, К-4ю, К-5 ю, К-6 ю, К-25 (разрез 7 - 7)

0,4, С = 30—36, ф = 30°). /ля алевролитов нижняя граница СД = 2,8; для порфиритов СД = 7,5. Зоны неупругого дефордирования отрисовываются для С = 3 и С = 7.

Отработка кадер К-2с, К-5, К-6 и К-8 осуществлялась в блоке 5б, отд. 63 + 88д, гор. 4 на глубине 350—360 д, при 3и4 категориях устойчивости горных пород. Суддарный объед выработанного пространства кадер составил 37300 д3.

Определены величины сжидаю-щих напряжений в районе офорд-ления кадер (без закладки). В дасси-ве горных пород со стороны северного и южного бортов сжидающие напряжения вкрест и по простиранию кадер составили соответствен-

но -10(-12) + -6МПа; с восточной и западной сторон — -6 + -12 МПа (рис. 2).

В вертикальной плоскости дежду отд. 62 - 90д сжидающие горизонтальные и вертикальные напряжения составили -6 ч -8 и -8 ч -10 МПа (рис. 3). Расположение зон неупругих дефордаций в окрестности кадер в плане наблюдается дежду К-2с - К-6 и К6 - К-8, а также у бортов кадер на расстоянии 2-3д (рис. 4). В вертикальной плоскости эти зоны увеличиваются в средней части кадер (рис. 5). Следует отдетить, что со стороны западного борта кадер произошло обрушение горных пород на глубину 2—14 д.

Выемка камер К-4 и К-25 и заполнение их закладкой сформировала вокруг выработанного пространства поле сжимающих напряжений. В массиве с северной и южной сторон от камер сжимающие напряжения по и вкрест их простирания составили -6 ч -10 МПа (рис. 6); максимальные горизонтальные и вертикальные и вертикальные сжимающие напряжения колебались от -6 до -12 МПа (рис. 7). Пригруженными оказались зоны с восточной и западной

сторон, а также в целиках между камерами К-2 ю и К-4 ю; К-6 ю и К-25.

Зоны неупругих деформаций сформировались на расстояниях от 2 до 7 м от контура камер и в целиках между камерами (рис. 8, 9).

Выполнены исследования по определению влияния объема выработанного пространства на величины напряжений при отработке камер. Объем выработанного пространства колебался от 4 до 58,5 тыс. м3.

■20 0 20 40 60 80 100

Рис. 9. Зоны неупругих деформаций (I) в окрестности камер К-12, К-4ю, К-5 ю, К-6 ю, К-25 (разрез 7-7)

Рис. 10. Изменение максимальных сжимающих напряжений в районе отрабатываемых камер на горизонте 4 при различных объемах выработанного пространства: 1—4 — соответственно величины сжимающих напряжений по простиранию камер с северной, южной, восточной и западной сторон (от границ камер)

яд.

—. /

)

/

/ ?

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 50 55 У,,ТЫС.РЛ3

Рис. 11. Изменение максимальных сжимающих напряжений в районе отработанных камер на горизонте 4 при различных объемах выработанного пространства:

1—4— соответственно распределение напряжений вкрест простирания камер (в разрезе) в кровле, днище, с восточной и западной сторон

На рис. 10 показано изменение максимальных сжимающих напряжений в районе отрабатываемых камер на гор.4 при объемах камер равных 4 ч 58,5 тыс. м3. Установлено, что

максимальные напряжения по простиранию камер (в плане) с северной и южной сторон снижаются от -12 до -6 МПа при объемах выработанного пространства равных 22,95 и

о

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 50 55 У,,ТЫС.Т

Рис. 12. График изменения максимальных расстояний распределения зон неупругих деформаций в алевролитах в районе отрабатываемых камер (разрез по вертикали) при различных объемах выработанного пространства: 1—4—соответственно расстояния с северной, южной, восточной и западной сторон от границ камер

58,5 тыс. м3; с восточной и западной ны неупругих деформаций в массиве

сторон до -6 МПа (при объемах 7,92 и 37,3 тыс. м3).

В кровле и днище камер при объеме 4 тыс. м3 сжимающие напряжения составляли -12 МПа, а с восточной и западной сторон -7 МПа (рис. 11). С увеличением объема выработанного пространства напряжения колебались от -6 до -8 МПа. Установлено влияние объема выработанного пространства на распределение зон неупругих деформаций в массиве горных пород. Выявлено, что в вертикальной плоскости камер зоны распространяются на расстояния от 3 до 15 м, при объемах, равных 4—23 тыс. м3, затем приближаются до 5—8 м с увеличением объемов с 23 до 58,5 тыс. м3 (рис. 12).

Выводы

1. Определены величины сжимающих горизонтальных и вертикальных напряжений по и вкрест камер выработанного пространства, а также зо-

горных пород, позволяющие давать оценку напряженно-деформированного состояния горных пород при очистной выемке рудных запасов без и с закладкой камер. Установлено, что максимальные сжимающие напряжения по простиранию камер с объемом от 5 до 58 тыс. м3 колеблются от -7 до -24 МПа с северной, южной, восточной и западной сторон. В кровле и тыс. м3 напряжения стабилизируются и достигают -6 + -8 МПа.

2. Установлено, что с увеличением объема выработанного пространства от 37 до 58 тыс. м3 происходит рост зон неупругих деформаций в массиве (в плане), при этом максимальные расстояния колеблются от 2 до 20 м. В вертикальной проекции выработанного пространства максимальные расстояния распространения этих зон достигают 10—15 м при объемах от 20 до 30 тыс. м3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оценка устойчивости руд, пород и искусственного массива на Артемьевском руднике в зависимости от времени стояния обнажений. ДГП «ВНИИцветмет», отчет: Усть-Каменогорск, 2009. — 71 с.

2. Инструкция по выбору типов и параметров крепи для Артемьевского рудника Медно-химического комбината ДГП «Вос-тНИГМИЦМ», Усть-Каменогорск, 2006. — 48 с.

3. Макаров А. Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. — М.: Горная книга, 2006. — 391 с.

4. Трехмерные задачи математической теории упругости и термоупругости // Под ред. Купрадзе В.Д. — М.: Наука, 1976.

5. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure / Geoecology and Computers. — Moscow: Balkema. — 2000.

6. Барышников В.Д., Гахова Д.Н. Геомеханические условия применения слоевой системы разработки кимберлитовой трубки «Интернациональная» // ФТПРПИ. — 2009. — № 2. — С. 46 — 55.

7. V.D. Baryshnikov, L.N. Gakhova. Estimating and Frecasting the Parameters of Technogenic Faulting Zones Around Mine Workings // Proceedings of the 6th International Conference on Physical Prob-lems of Rock Destruction. — China: Metallurgical Industry Press. — 2009. — pp.114 — 117. ггтгт^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Еременко Андрей Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИГД СО РАН, [email protected]

Еременко Виталий Андреевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ИГД СО РАН, [email protected]

Доев Руслан Азгиреевич — директор,

Коврыгин Олег Александрович — главный инженер,

Медно-химический комбинат, филиал ТОО «Корпорация Казахмыс», [email protected]

д

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ «СХЕМЫ ПОСЛЕ ТОКОВ И РАДИО»

(№ 969/07-13 от 13.05.13, 7 с.)

Волошиновский Кирилл Иванович — ассистент кафедры АТ, [email protected]осковский государственный горный университет,

MAINTENANCE FOR BOOK "SCHEMES AFTERWARDS CURRENTS & RADIO"

Voloshinovskiy Kirill Ivanovich