CC BY
11
УДК 622.284
Д.Ю.ДОРДЖИЕВ. аспирант, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
D.Y.DORDZHIEV, post-graduate student, dimich tpr-ОЗЩтаИ.ru Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ В ТЕКТОНИЧЕСКИ-НАРУШЕННОМ МАССИВЕ
Рассмотрено влияние фронта очистных работ на напряженное состояние вокруг вертикальной выработки в тектонически-нарушенном массиве для уранового месторождения «Антей». С помощью компьютерного моделирования подтверждены натурные наблюдения.
Ключевые словах массив, неоднородность, тектоника, нару шение, выработка, напряжение, моделирование.
SIMULATION OF THE STRESS-STRAIN STATE FORMING AROUND THE VERTICAL MINE IN THE FIELD OF TECTONICALLY FRACTURED MASSIF
The influence of the front clean up of stress-strain state around a vertical mine of a tectoni-cally fracture massif for a uranium deposit «Antey» is considered. By means of computer simulation it's have been confirmed by field observations.
Key words', massif, inhomogeneity, tectonics, displacement, mine, strain, simulation.
Месторождение урановых руд «Антей» входит в состав Стрельцовского рудного узла, являющегося частью Южно-Аргунского рудного района, который расположен в юго-восточном Забайкалье на северо-западных склонах Аргунского хребта. Характерным для данного месторождения является блоковое строение горного массива и его местоположение в пределах крупной кальдеры, представляющей собой многоярусное геологическое образование. В верхнем этаже кальдеры залегает толща сложнодислоциро-ванных пород чехла (липариты, туфы, анде-зито-базальты, алевролиты), а в нижнем -средне- и крупнозернистые варисские гра-нитоиды, относящиеся к гранитовому фундаменту.
Месторождение «Антей» непосредственно приурочено к интенсивно тектониче-
ски нарушенному пересечению разломов субширотного и меридионального простирания с широким развитием разрывных нарушений. В целом район характеризуется развитием самых разнообразных и сложных форм разрывных нарушений и типов блоковых структур.
Разрывные нарушения гранитного фундамента сформировались задолго до появления оруденения и оживлялись в пострудный период. Выделяются три зоны разломов: № 103, № 13, № 160. Зона № 13 - наиболее мощная, амплитуда смещения крыльев в ней 40-60 м. Разлом сопровождает интенсивное брекчивание, часто с зияниями, выполненными кварцем, флюоритом, кальцитом. Разлом № 160 имеет мощную (около 5 м) зону дробления и проходит исключительно в гранитах фундамента Швы имеют как зоны
Г Т " ш
10 м
—э 2 м е—
р -е-— р
—5»
—э е—
1
7Z7Z 7F7 7/^7/ W 100 м JW 7Ш к— "Ш
Рис.1. Расчетная схема конечно-элементной модели
дробления, так и тектонические трещины Мощность полостей трещин от 2 до 10 см, полости представлены глинкой трения, карбонатами, реже хлоритом. Мощность зон дробления от 6 до 100 см. Плотность трещин 2-5 на 1 м. Трещины сколового характера с притертыми краями.
На границах вулканогенно-осадочных пород чехла и пород фундамента ярко выражено выклинивание и преломление швов разломов или изменение пространственной ориентации вплоть до переориентации нарушения (от северо-западного простирания в породах чехла к меридиональному в фундаменте), чем подтверждается наличие деформаций чехла и фундамента.
Гранитный фундамент дифференцирован на три разновидности гранитов: мелко-и среднезернистые лейкократовые граниты, биотитовые граниты и метасоматические порфировые граниты (гранитогнейсы). Все разновидности гранитов являются рудов-мещающими, имеют нечеткие границы, полный набор их разновидностей повсеместно не выдерживается Форма гранитных тел жильная, реже - линзообразная. Мощность тел не превышает первых десятков метров, размеры по простиранию - первых сотен метров.
Оруденение локализуется в фундаменте, главным образом вблизи рудоконтролирую-щих крутопадающих разломов субмеридионального простирания, и месторождение «Антей» локализовано исключительно в нарушениях № 13 и № 160. Глубина зоны оруденения не менее 1500 м при мощности от нескольких метров до первых десятков метров.
Особенностью геологического строения залежи на уровне 10-12 горизонтов является сближение разломов № 160 и № 13.
Разрывы сплошности пород у ядра разлома № 13 на горизонте 11 формируют дополнительное микро- и макротрещинное пространство, которое оказывает воздействие на характер распределения векторов действующих напряжений. По мере приближения к плоскости сместителя разлома № 13, массив горных пород переходит из объемного в плоское напряженно-деформированное состояние с преобладанием горизонтальных напряжений, действующих параллельно линии простирания тектонического нарушения Такое поле напряжений может вызвать разрушение северо-восточной и юго-западной стенок вертикальных выработок, а также кровли и почвы горизонтальных выработок субширотной ориентации.
Целью исследования было влияние очистных работ на устойчивость вентиляционно-ходового восстающего, проводимого в подготавливаемом блоке на расстоянии 60 м по падению от фронта очистных работ и на удалении 10 м от рудовмещающего разлома № 160.
Расчетная схема конечно-элементной модели показана на рис.1 и представляет собой участок массива 100 х 100 м в плане, расчет велся с учетом тектонических сил Р = 3уН = 42,9 МПа и с учетом опорного давления от очистных работ Ра = 1,25 х X ХуН= 5,4 МПа.
На первом этапе расчет велся только с учетом тектонических сил, что соответствовало ситуации, когда выработка не испытывала влияния очистных работ На втором этапе, когда выработка испытывала влияние очистных работ, к ним добавлялось опорное давление, которое рассчитывалось, исходя
99.3
Рис.2. Эпюра распределения нормальных тангенциальных напряжений и схема разрушения вентиляционно-ходового восстающего
111.9
37,4
17,2
55.1
Образование систем микротрещин
Места сколов, шелушения, интенсивного заколообразования
112.3
Рис.3. Эпюра распределения нормальных тангенциальных напряжений и схема разрушения вентиляционно-ходового восстающего при влиянии очистных работ
из данных, полученных на эквивалентных материалах профессором Н 3 Галаевым*
" ГаяаевНЗ. Моделирование камерной разработки методом эквивалентных материалов с применением динамометрического основания И Записки Лениградского горного институт. 1961. TomXLIV. С.24-32.
GalaevN.Z. Modelling of heading-and-stall method by a method of equivalent materials with application dyna-mometrical bases И Proceedings of the Leningrad Mining institute. 1961. Volume XLIV. P.24-32.
По верхней и нижней грани моделируемого участка запрещались перемещения по оси У. Сетка конечных элементов разбивалась так, чтобы на границе выработки размер элементов был наименьшим («0,15 м), а на периферии - увеличивался до 2 м. Массив моделировался изотропной линейно деформируемой средой, величины физико-механических характеристик пород принимались из следующих данных:
Грунт-порода Е. МПа v у, кН/ м3
Гранит 78000 0,22 26,9
Руда 45000 0,17 26
По данным, полученным профессором А.Н Ставрогиным, предел прочности гранитов на одноосное сжатие аС/К изменяется от 180 до 216 МПа, а предел прочности на растяжение ср = 8-9 МПа*.
На начальном этапе, в процессе и после проходки выработки, она испытывает воздействие достаточно высоких тектонических горизонтальных напряжений субширотной ориентации. На этой стадии в северной и южной стенках формируются системы микротрещин, повторяющие контур выработки, а при уровне напряжений, приближающихся к 0,7осж возможно проявление горного давления в виде шелушения, интенсивного заколообразования или стреляния.
На рис.2 показаны эпюра распределения нормальных тангенциальных напряжений и схема разрушения. Максимальные значения составляют 99,8 МПа в северной части выработки и 98,2 МПа в южной части.
В дальнейшем, по мере приближения фронта очистных работ, вентил яционно-ходо-
вой восстающий попадает в зону опорного давления от фронта очистных работ. В этой фазе направление действующих напряжений остается прежним, однако существенно возрастает величина действующих напряжений. Воздействие на выработку аналогично предыдущей стадии, но с большим влиянием очистных работ (рис.3)
В результате визуальных наблюдений сотрудников Научного центра геомеханики и проблем горного производства под руководством А.А.Филинкова за разрушениями стенок вертикальных выработок на уровне горизонтов 11-12 установлено, что в большинстве случаев происходит отслоение горных пород в северной и южной стенках, что соответствует действующим максимальным напряжениям с азимутом 105°. Аналогичные наблюдения на уровне горизонтов 9-10 показывают, что максимальные напряжения имеют азимут 50°.
Предложенная методика расчета напряженного состояния может быть использована для прогноза устойчивости восстающих и формирования зон шелушения и интенсивного заколообразования в тектониче-ски-нарушенном массиве.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инннова-ционной России» за 2009-2013 гг.
* Dordzhiev D. Simulation of the deformation mode forming around the stope ore in the field of tectonically fractured massif// Challenges and solutions in mineral industry. Freiberg. 2009. P. 159-164.
