CC BY
21
УДК 539.3.01:622.834
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОЙ ПОТОЛОЧИНЫ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ
Василий Дмитриевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-05-41, e-mail: [email protected]
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-03-37, e-mail: [email protected]
Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния переходной зоны от открытой к подземной отработке месторождения на этапе формирования подкарьерной потолочины и в процессе развития горных работ при выемке запасов на руднике «Айхал» АК «АЛРОСА». Показана необходимость учета высотных отметок бортов карьера при численном моделировании напряженного состояния подкарьерного массива.
Ключевые слова: предохранительный целик, математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, критерии прочности
ESTIMATION OF STRESS-STRAIN STATE IN CROWN PILLAR UNDER OPEN PIT USING NUMERICAL METHODS
Vasily D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Head of Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-41, e-mail: [email protected]
Lidia N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks tel. (383)217-03-37, e-mail: [email protected]
The authors have analyzed stress-strain state of rocks in the transition zone between an open pit and an underground mine at the stage of establishing a crown pillar below the open pit floor and in the course of underground mining in Aikhal Mine, ALROSA. It is shown that numerical modeling of stress state in rock mass immediately below an open pit mine should account for grade elevations of the open pit walls.
Key words: protective pillar, mathematical modeling, stress-strain state, strength criteria.
Актуальность вопросов геомеханического обеспечения технических решений при переходе от открытой к подземной разработке месторождений определяется возрастающим числом карьеров, достигших критических глубин. При комбинированной последовательной разработке месторождения запасы ниже дна карьера отрабатываются в условиях технологического взаимодействия карьера и подземного рудника, что приводит к необходимости учета взаимодействия элементов открытой и подземной технологий. Происходящие при этом геомеханические процессы определяются совокупностью природных условий и технологических факторов [1]. Выбор эффективной и безопасной технологии подземной отработки подкарьерных запасов должен основываться на оценке геомеханического состояния массива горных пород и прогнозе его изменений в процессе развития горных работ.
В сложных гидрогеомеханических условиях защита подземных горных выработок от прорыва обводненных илов и паводковых вод со дна карьера осуществляется путем оставления подкарьерного предохранительного целика (рудной потолочины). Для обеспечения безопасности горных работ необходим обязательный контроль (мониторинг) его механического состояния [2]. Основная целью мониторинга - установление тенденции развития геомеханических процессов в породном массиве путем проведения постоянных наблюдений, оценок и прогноза его состояния для принятия своевременных управленческих решений по безопасным условиям отработки запасов [3].
Изучение особенностей формирования напряженного состояния переходной зоны наиболее эффективно с использованием численных методов, позволяющих моделировать возможные варианты ведения очистных работ и устанавливать закономерности изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива в процессе отработки. Существующие инженерные методы оценки устойчивости потолочин на основании расчетов плит-балок не учитывают особенностей распределения напряжений в переходной зоне. Между тем, в большинстве случаев критерии устойчивости основаны на сопоставлении напряжений конструктивных элементов разработки с прочностью породного массива [3-5].
Ниже, в рамках реализации комплексного подхода, основанного на использовании численных и экспериментальных методов исследований, приведены результаты оценок и анализа геомеханической ситуации в подкарьерной потолочине на различных этапах подземной отработки запасов на руднике «Ай-хал» АК «АЛРОСА».
В соответствии с проектом подземная отработка кимберлитовой трубки ниже дна карьера производится с применением слоевой системы разработки и твердеющей закладкой под защитой подкарьерной потолочины. Для снижения риска затопления горных выработок в сложных гидрогеологических и горнотехнических условиях рудника формирование потолочины производится путем первоочередной отработки 3-го слоя [6]. При благоприятной геомеханической ситуации, оцениваемой по результатам мониторинга, планировалось последовательно в восходящее порядке отработать слои 2 и 1. При этом контур кровли
слоя 1 достигает границы безопасной глубины разработки, расположенной на удалении 25 м от дна карьера.
Оценка и анализ формирования НДС подкарьерного массива проводилась с применением метода граничных интегральных уравнений [3]. Задача решалась для реальной геометрии карьер (рис. 1). Прочностные свойства кимберлита приняты по результатам лабораторных испытаний керна: <т .ж ~ 12МПа, ар
МПа. Исходное напряженное состояние массива горных пород принято следующее: сг° - -уН, <т° = -ЛуН, где сг°, ег° - исходные напряжения, действующие
на глубине Н, X = 0.5 -коэффициент бокового отпора. Упругие константы -Е=10 ГПа, у=0,25. Предполагается, что поверхность карьера свободна от напряжений.
Рис. 1. Вертикальный разрез в крест простирания рудного тела
Расчеты НДС массива проведены для реальной геометрии бортов карьера (рис. 1) и с учетом аппроксимации ступенчатых бортов гладкой кривой (на рис. 1 - пунктирная линия). Установлено, что на характер распределения напряжений ниже дна карьера учет уступов в бортах карьера не оказывает влияния. Асимметричный характер деформаций и напряжений в подкарьерном массиве (рис. 2) является следствием различия высотных отметок бортов. В этих условиях использование инженерных методов расчета параметров водоупорной потолочины, представленной в виде плиты-балки [7], может привести к существенным неточностям при оценке её НДС.
Напряженное состояние подкарьерного массива до начала формирования потолочины характеризуется разгрузкой от вертикальных (ау) напряжений (рис. 2б). При оценке устойчивости потолочины определяющими являются горизонтальные напряжения (ах) (рис. 2в).
а)
1000 -1 Е*106
б)
В)
Рис. 2. Вертикальные деформации (ЕПК^) массива по линии дна карьера (а); вертикальные (б) и горизонтальные (в) напряжения (МПа) в подкарьерном массиве после отработки карьера
Прогнозная оценка НДС подкарьерного массива рудной потолочины при её формировании по проектному варианту отработки слоев 3^1 (рис. 3) показала следующее: после отработки разрезного слоя 3 зона запредельного деформирования рудного массива распространяется в ЮВ части (под бортом с наибольшей высотной отметкой) на глубину до 2-3 м от дна карьера; основная часть потолочины испытывает дополнительное обжатие, что не создает условий для раскрытия в ней вертикальных трещин и, как следствие, не способствует возрастанию водопритоков со дна карьера; в кровле разрезного слоя формируется зона дополнительных растягивающих горизонтальных деформаций (рис. 3б), что, в случае образования трещин, снижает эффективную мощность потолочины.
а)
б)
СЗ______1 \ /юв
{* ч.
С. » п »шЕ^ц ч -- » , -8
—-с*
Рис. 3. Горизонтальные (а) напряжения (МПа) и дополнительные деформации (ЕП1ф в подкарьерном массиве после отработки
разрезного слоя 3
По мере отработки слоев 3^1 в центральной части потолочины происходит увеличение горизонтальных сжимаюших напряжений на контуре дна карьера с 12 МПа до 14 МПа, а в кровле очистного пространства - с 2 МПа до 4 МПа (рис. 4).
Проведенный анализ позволил обосновать контролируемые параметры, выбрать методы и зоны контроля деформационных процессов в потолочине [5].
Рис. 4. Эпюры изменения ах вдоль центральной вертикальной оси трубки
Дальнейший анализ изменений геомеханической ситуации по мере развития горных работ в подкарьерном массиве выполнялся с использованием методического подхода, основанного на комплексном применении экспериментальных и численных методов для определения потенциальных зон запредельного деформирования горных пород по различным критериям разрушения [5]. Полученная информация по выбору критерия разрушения и предельных его значений [3,5] позволила прогнозировать состояние рудной потолочины в зависимости от условий отработки подкарьерных запасов.
Анализ геомеханической ситуации выполнен для наиболее опасного сечения рудной потолочины. Рис. 5 отражает эволюцию зон неупругих деформаций под дном карьера в северо-восточной его части на различных этапах выемки подкарьерных запасов.
Рис. 5. Зоны неупругих деформаций (а8>2 МПа) в подкарьерной потолочине после выемки слоев 3—>2—>1 (а), 3—»2-Й—»4 (б) и слоев 2 - 6, 11 (в)
После отработки в восходящем порядке слоев 3—»2—»1 не образуется сплошной локализованной зоны запредельного деформирования в потолочине (рис. 5а). Последующая выемка слоя 4 приводит к смыканию зон критических деформаций, формирующихся между сводом ВЗШ и дном карьера (рис. 56). При отработанных слоях 3—>2 выемка нижележащих слоев в нисходящем порядке не приводит к смыканию зон неупругих деформаций (рис. 5в), что сохраняет водозащитные свойства потолочины.
С учетом прогнозных оценок на руднике отказались от отработки слоя 1 и перешли на нисходящий порядок отработки запасов ниже слоя 3.
Результаты исследований показали, что в условиях разных по высоте бортов карьера деформирование потолочины носит сдвиговой характер, поэтому расчеты параметров потолочины в виде плиты-балки не корректны и при значительной разнице отметок бортов погрешность расчетов может быть существенной.
Адаптированная к реальным условиям расчетная модель при наличии экспериментально установленных критических параметров деформирования массива является надежным инструментом прогнозирования геомеханической ситуации в подкарьерном массиве для принятия своевременных мер по обеспечению безопасности горных работ.
Работа выполнена при финансовой поддержке института ЯКУТНИПРОАЛМАЗ АК «АЛРОСА ».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. -М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003.
2. Инструкция по безопасному ведению горных работ при комбинированной (совмещенной) разработке рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых // Сб. руководящих материалов горнорудного надзора. - М.: Изд. АГН, 1998.
3. Барышников В.Д., Барышников Д.В., Гахова Л.Н., Качальский В.Г. Геомеханический мониторинг при разработке полезных ископаемых // ФТПРПИ. - Новосибирск.- 2014. -№5. - С. 61 - 74.
4. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М.: Недра. - 1989.
5. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок // ФТПРПИ. - Новосибирск.- 2012. - №4.- С. 20 - 28.
6. Барышников В.Д., Гахова Л.Н., Черепнов А.Н. Геомеханический контроль состояния рудной потолочины при подземной отработке подкарьерных запасов / Труды междунар. конф. «Роль геомеханики в устойчивом развитии горной промышленности и гражданского строительства». - Несебыр, Болгария. -2007. - с. III-9 - III-16.
7. Барях А.А., Самоделкина Н.А., Паньков И.Л. Разрушение водоупорных толщ при ведении крупномасштабных горных работ. Ч. I // ФТПРПИ. - 2012. - №5. - С.3 -14.
© В. Д. Барышников, Л. Н. Гахова, 2016
