Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения в тектонически напряженном массиве

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения в тектонически напряженном массиве"

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ БЕСПЛАТНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

Земцовский Александр Васильевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ МАССИВЕ

(на примере месторождения «Олений ручей»)

Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 ОКТ 2014

Апатиты 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении наук Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Козырев Анатолий Александрович

Официальные оппоненты:

Макаров Александр Борисович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский Государственный Геологоразведочный университет», профессор кафедры разработки месторождений стратегических видов минерального сырья и маркшейдерского дела

Удалое Андрей Евгеньевич - кандидат технических наук, Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», заведующий лабораторией геомеханики рудных и нерудных месторождений

Ведуи(ая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Защита состоится 27 ноября 2014 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.029.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении наук Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте (http://www.goikoIasc.ru/) Горного института КНЦ РАН

Автореферат разослан _ сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Чуркин

Олег Елиферович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Одной из основных тенденций разработки месторождений полезных ископаемых является усложнение горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ. С другой стороны увеличивающаяся в последнее время стоимость минеральных ресурсов приводит к необходимости более полного извлечения полезных компонентов из недр. Решение возникающих проблем может заключаться в совершенствовании технологии горного производства, а также в применении безопасных и эффективных способов добычи полезных ископаемых. Поэтому обоснование комбинированной или совместной отработки месторождений с применением открытого и подземного способа добычи является актуальной задачей, особенно в высоконапряженном массиве горных пород.

При совместной разработке обеспечивается более полное извлечение полезного ископаемого, достигаются высокие технико-экономические показатели и максимальная производительность предприятия, а также с наибольшим экономическим эффектом учитываются особенности разрабатываемого месторождения. Необходимо отметить, что возможность и эффективность совместной разработки зависит от успешного решения технических, организационных и экономических вопросов, которые при этом обычно возникают.

В систематизацию мирового опыта, становление и развитие теории комбинированной разработки месторождения полезных ископаемых внесли значительный вклад такие ученые как М.И. Агошков, Н.В. Мельников, Д.Р. Каплунов, В.И. Теренгьев, К.Н. Трубецкой, Б.П. Боголюбов, Б.П. Юматов, П.Э. Зурков, С.Л. Иофин, В.И. Щелканов, A.A. Вовк, Г.И. Черный, В.В. Куликов, М.Ф. Шнайдер, В.К. Вороненко, Д.М. Казикаев, Т.М. Мухтаров, Ю.В. Демидов, В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова и др.

Вопросами исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, а так же вопросами устойчивости различных элементов подземной и открытой геотехнологии при комбинированной разработке месторождений, занимались такие ученые как С.Г. Авершин, В.И. Борщ-Компониец, Ю.В. Демидов, A.B. Зубков, М.А. Иофис, Д.М. Казикаев, A.A. Козырев, М.В. Курленя, А.Б. Макаров, М.Е. Певзнер, А.Д. Сашурин, Г.Л. Фисенко, А.Е. Удалов и др.

Одним из примеров применения такого способа отработки запасов является месторождение «Олений ручей». В силу геологических особенностей, было принято решение о строительстве карьера на первом этапе освоения месторождения с переходом на следующем этапе на подземный способ добычи. Причем очистное пространство будущего подземного рудника

отделено от пространства карьера безрудной толщей мощностью более 300 м. Также необходимо отметить, что рядом располагается месторождение Ньоркпахкское (относится к ОАО «Апатит»), отрабатываемое карьером, который, возможно, оказывает влияние на напряженное состояние массива месторождения «Олений ручей». Таким образом, подземные горные работы на месторождении будут вестись вблизи открытых горных работ.

Существует значительный опыт разработки месторождений совместным способом, когда подземные и открытые горные работы ведутся в непосредственной близости друг от друга, и при таких условиях их взаимное влияние очевидно. В случае месторождения «Олений ручей» такое влияние в силу больших расстояний между карьерами и подземным рудником неочевидно. Следовательно, применение существующих методик оценки состояния массива при совместной разработке месторождения в данном случае затруднительно.

Разработка месторождения «Олений ручей», как и других апатитовых месторождений Хибин, осложнена высоким уровнем горизонтальных тектонических напряжений, действующих в массиве. Величина максимальных горизонтальных напряжений в 5-10 раз превосходит напряжения от собственного веса пород, что при склонности горных пород Хибинского массива к упругому деформированию с последующим хрупким разрушением обусловливает проявление горного давления в динамической форме, как при ведении очистных работ, так и при проходке одиночных горных выработок. Проявления горного давления в динамической форме происходят уже в настоящее время на глубине 300-400 м от дневной поверхности, причем разрушения выработок наблюдаются в основном в кровле и на сопряжении стенок с кровлей, что подтверждает наличие в массиве пород месторождения высоких тектонических напряжений.

Таким образом, геомеханическое обоснование параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения «Олений ручей» в условиях тектонически напряженного массива является важной научно-технической задачей.

Цель работы: обоснование безопасной и эффективной подземной отработки запасов месторождения «Олений ручей» в удароопасных условиях.

Идея работы заключается в учете особенностей НДС массива при выборе параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения с использованием комплексного метода, включающего натурные методы исследования и численное моделирование НДС массива.

Задачи исследований:

1. Анализ и обобщение данных о геологических и геомеханических особенностях месторождения «Олений ручей». Создание трехмерной численной модели месторождения для проведения расчетов напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

2. Исследование влияния геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние массива с целью выявления особенностей распределения природных полей напряжений в массиве, а также полей напряжений вблизи очистных пространств и горных выработок.

3. Обоснование по геомеханическим условиям основных параметров планируемых к применению систем разработки при отработке запасов месторождения.

4. Выявление основных закономерностей распределения напряжений и разрушения пород вблизи контура выработки в условиях месторождения «Олений ручей» на различных высотных отметках.

Методы исследований:

В работе применен комплексный метод исследований, включающий системный анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме; натурные исследования состояния массива; численное моделирование распределения напряжений и деформаций в массиве пород в объемной постановке.

Научная новизна работы:

- экспериментально подтверждено наличие трех зон с глубиной по уровню действующих максимальных напряжений с глубиной:

1) слабонапряженная с^ < 20 МПа, при глубине Н = 0 -н 200 м;

2) средненапряженная 01 = 20 40 МПа, при глубине Н = 200 н- 400 м;

3) сильнонапряженная о, > 40 МПа, при глубине Н > 400 м; полученные данные учтены при численном моделировании НДС вокруг очистных пространств и карьеров;

- обоснованы размеры зон влияния карьеров и подземных очистных пространств по условиям напряженного состояния и рекомендации по последовательности разработки месторождения подземным способом;

- выявлены особенности формирования трещин отрыва и зон приведенных растягивающих напряжений в подработанной толще при применении системы разработки с открытым очистным пространством и системы с обрушением для обоснования частичного самообрушения пород и перехода к системе с обрушением подработанной толщи.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Значимое взаимное влияние подземных и открытых горных работ с увеличением концентрации максимальных напряжений на месторождении «Олений ручей» начинается при достижении фронтом подземных горных работ подкарьерного массива при мощности потолочины 200-300 м. До этого момента открытые и подземные горные работы не оказывают влияния друг на друга, что позволяет принимать независимые решения по порядку отработки подземных запасов месторождения «Олений ручей» в данной области массива.

2. В подработанных породах значительной мощности (более 300 м) при действии тектонических напряжений в кровле камер формируются зоны приведенных растягивающих напряжений, приводящих к частичному самообрушению подработанных пород кровли без выхода обрушения на дневную поверхность. Для перехода от системы разработки с открытым очистным пространством к системе с обрушением необходимо отработать 5 секций (длиной 80 м каждая) на верхнем горизонте и 3 секций на нижележащем горизонте, а также погасить междукамерные и междуэтажные целики.

3. В массиве с гравитационно-тектоническим типом поля напряжений с увеличением глубины заложения выработки происходит повышение ее устойчивости за счет снижения концентрации сжимающих напряжений в кровле и выравнивания тангенциальных напряжений по всему контуру выработки. Установлена квадратичная зависимость размеров зоны разрушения вокруг выработки от глубины ее заложения в тектонически напряженном массиве с минимумом на глубине 1500 м.

Практическая значимость работы:

определены параметры обнажений открытого очистного пространства, которые необходимы для обрушения без выхода на поверхность вмещающего массива, для перехода от этажно-камерной системы разработки на верхних этажах к системам с обрушением на нижних горизонтах месторождения для условий Хибинского массива;

определены параметры системы разработки с открытым очистным пространством (ширина камер, размеры междукамерных и междуэтажных целиков), которые при совместном способе отработки месторождения позволяют обеспечить безопасное ведение горных работ в удароопасных условиях;

получены данные о размерах и положений зон разрушений контура выработки при различном соотношении тектонических и гравитационных напряжений, которые необходимы при выборе и расчете параметров крепи выработки.

Достоверность научных положений, выводов и результатов, изложенных в диссертации, подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации, обоснованностью подхода к выбору методов

исследования, удовлетворительной сходимостью результатов исследований методом численного моделирования с данными визуального обследования выработок и натурных измерений.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, проведении расчетов напряженно-деформированного состояния массива пород методом конечных элементов, проведение натурных исследований и сравнение полученных данных с результатами численного моделирования.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

1. На научной конференции «Глубокая переработка минеральных ресурсов. Сбалансированное природопользование», г. Апатиты, 2007.

2. На II Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования: вопросы комплексного освоения глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых», г. Екатеринбург, 2008.

3. На XI Межрегиональной научно-практической конференции Кольского филиала ПетрГУ, г. Апатиты, 2008.

4. На 2-ой Российско-китайской научной конференции «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах», г. Новосибирск, 2012.

5. На 3-ем международном научно-техническом форуме «Deep-level Rock Mechanics and Engineering», Китай, г. Нанкин, 2013.

6. На V международной научно-технической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий», г. Санкт-Петербург, 2014.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 157 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков, 14 таблиц и список использованной литературы из 130 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю работы Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору, доктору технических наук A.A. Козыреву за помощь в постановке проблемы и руководство исследованиями; доктору технических наук Э.В. Каспарьяну, доктору технических наук С.Н. Савченко, кандидату технических наук И.Э. Семеновой, кандидату технических наук В.И. Панину, доценту, кандидату технических наук В.В. Рыбину за ценные советы и обсуждение результатов исследований; ведущему технологу Старцеву Ю.А., технологу 2 категории Потемковскому C.B., ведущему технологу Данилову И.В. и технологу 2

категории Самсонову А.А. за помощь в выполнении натурных исследований. Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории геомеханики и Горного института за внимание к работе и плодотворное сотрудничество, а также работникам ЗАО «СЗФК» за заинтересованность и поддержку в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 проведен анализ горно-геологических, геомеханических и горнотехнических условий отработки месторождения «Олений ручей», выполнен обзор исследований, посвященных совместной разработке месторождений в удароопасных условиях. Обоснованы цель и задачи исследований.

В главе 2 выполнен анализ существующих методов исследования геомеханического состояния массива. Представлены результаты исследований геомеханического состояния массива натурными методами и методами численного моделирования НДС массива, выполнено их сравнение.

В главе 3 обоснованы безопасные размеры камер и междукамерных целиков. Проведена оценка необходимых параметров обнажений для перехода к системе с обрущением подработанных пород и оценка возможности обрушения налегающей толщи пород до поверхности при отработке подземных запасов месторождения.

В главе 4 выполнен прогноз устойчивости выработок в процессе отработки подземных запасов месторождения «Олений ручей». Проведен анализ состояния одиночной выработки на различной глубине при разном типе поля напряжений.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Значимое взаимное влияние подземных и открытых горных работ с увеличением концентрации максимальных напряжений на месторождении «Олений ручей» начинается при достижении фронтом подземных горных работ подкарьерного массива при мощности потолочины 200-300 м. До этого момента открытые и подземные горные работы не оказывают влияния друг на друга, что позволяет принимать независимые решения по порядку отработки подземных запасов месторождения «Олений ручей» в данной области массива.

Для оценки состояния массива в окрестностях месторождения и обоснования параметров подземной технологии была создана геомеханическая модель месторождения «Олений ручей». Граничные условия для модели задавались на основе данных о величинах действующих в массиве напряжений. Согласно этим данным, для массива пород, вмещающего месторождение «Олений ручей», максимальная компонента напряжений ориентирована параллельно или субпараллельно простиранию рудной залежи, а абсолютные величины изменялись в зависимости от глубины:

1) до глубины 400 м - а^ < 20 МПа;

2) на глубине от 400 м до 1000м - 20 МПа < сттах < 40 МПа;

3) более 1000 м - атах > 40 МПа.

В результате объемного численного моделирования (методом конечных элементов) получено исходное поле напряжений в районе месторождения «Олений ручей», которое характеризуется как высоконапряженное (с величинами а^ от 35 до 50 МПа) с ориентацией максимальной компоненты сжимающих напряжений по простиранию рудных тел в высотных отметках будущих подземных горных работ.

Кроме метода численного моделирования для исследования состояния массива месторождения «Олений ручей» применяли комплекс натурных методов. Комплекс включал: проведение регулярного визуального обследования; оценку состояния массива геофизическими методами (сейсмическая томография и ультразвуковой каротаж скважин); измерение напряжений методом разгрузки в районе проходки выработок; реометрические исследования нарушенности массива вблизи кошура выработки.

В результате исследований состояния массива различными натурными методами было установлено:

по данным визуального обследования состояния выработок (шатровая форма, стреляние, шелушение) установлено действие высоких горизонтальных напряжений в массиве пород месторождения;

скорости продольных и поперечных волн в окрестности штолен равны соответственно Ур = 6 км/с и Уэ = 3 км/с, причем полученные значения превышают значения скоростей Ур и Уб в образце, что свидетельствует о повышенном уровне напряжений в массиве;

в выработках при отсутствии динамических проявлений горного давления размер зоны нарушенных пород составляет 0,4 м, для выработок, в которых наблюдались проявления горного давления в динамической форме, размер нарушенной зоны больше в 2 раза;

значение максимальной компоненты главных напряжений на горизонте +234 м составляет сгтах = 36 МПа, азимут вектора максимальной компоненты равен приблизительно 25°.

Результаты численного моделирования хорошо согласуются с результатами, полученными натурными методами исследования состояния массива горных пород.

Для оценки влияния горных работ на состояние массива применялся критерий в виде 5% разницы между значениями максимальной компоненты главных напряжений аь характерных для исходного а,0 и конечного а," состояния массива. То есть для каждого участка массива определяли относительную разницу между а,0 и а," по формуле

к = ^^-100% (1)

и считали, что в том участке массива, где к превысило 5%, можно говорить о влиянии горных работ на состояние данного участка массива. Другими словами участок массива, где напряжения изменяются больше чем на 5%, считался подверженным влиянию горных работ, а там, где напряжения изменяются меньше чем на 5%, влияния нет.

Для более точного определения зоны влияния открытых горных работ на состояние массива анализировалось изменение максимальной компоненты главных напряжений в вертикальном сечении по магистрали М+400 (рисунок 1). Цифрами 1 и 2 показаны соответственно пространства карьеров «Ньоркпахкский» и «Олений ручей». Синими линиями обозначены контуры рудных тел. На данном вертикальном сечении можно выделить 3 области значительных изменений максимальной компоненты главных напряжений (в пределах 5%): 1) под дном «Ньоркпахкского» карьера; 2) под дном карьера «Олений ручей»; 3) в массиве между карьерами. Максимальная глубина третьей области прослеживается приблизительно до отметки +250 м в районе разреза 15. Рассмотрим изменения напряжений в вертикальном сечении по разрезу 15.

ШВВяЗтшШЯЯШЯшЯЯШЯЯВШЯШШШШЙт^ ШЯЯш

Рисунок 1 - Вертикальное сечение по магистрали М+400. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах).

На рисунке 2 видно, что область, в которой напряжения изменяются больше чем на 5%, можно проследить до отметки +200 м.

Рисунок 2 - Вертикальное сечение по разрезу 15. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах).

Таким образом, в результате разработки месторождений Ньоркпахкское и «Олений ручей» открытые горные работы оказывают влияние на массив между карьерами на глубину 300 - 400 м, то есть до абсолютной высотной отметки +200 м.

Для оценки влияния подземных горных работ на НДС массива дополнительно были рассчитаны варианты, моделирующие отработку запасов рудных тел нижнего яруса в разрезах 10 - 25 до отметки -200 м. Отработка запасов моделировалась как поэтапное развитие подземных горных работ в сторону карьера «Олений ручей» с шагом равным одному разрезу. Также в данных вариантах были учтены конечное положение контуров карьеров «Ньоркпахкский» и «Олений ручей».

Рассмотрим относительное изменение напряжений на данном участке массива при развитии подземных горных работ под карьером «Олений ручей».

На рисунке 3 показано относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений в вертикальном сечении (по магистрали М+600) в процентах по простиранию рудных тел. Данное изменение представлено для различных этапов отработки запасов: развитие фронта подземных горных работ через один разрез от 22 до 25.

Как видно из рисунка 3, зоны, в которых напряжения изменились больше чем на 5%, располагаются в массиве, прилегающем к очистным пространствам карьера и подземного рудника. При развитии подземных горных работ с увеличением размеров очистного пространства увеличивается также и 5% зона изменения максимальной компоненты главных напряжений. При достижении очистным пространством подземного рудника разреза 25, можно отметить наличие такой же зоны и в массиве между очистными пространствами, которая объединяет остальные зоны в одну большую. Таким

юстранство

подземного рудника

ь -200

«Олений ручей»

Карьер

+400

Очистное пространство лодземнош рудника

образом, установлено, что горные работы изменили состояние массива не только вблизи очистных пространств, но также и в массиве между ними. Данный факт свидетельствует о наличии взаимного влияния друг на друга подземных и открытых горных работ.

ручей»

Карьер «Олений ручей»

+400

+200:

.^Зю-

Ргв Р22 Р24 Р26 Р28 РЗО R32 Р34

_г)

Карьер «Олений ручей»

Рисунок 3 - Вертикальное сечение по магистрали М+600. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах) при развитии подземных горных работ: а) до разреза 22, б) до разреза 23, в) до разреза 24 , г) до разреза 25.

Карьер «Ньоркпахкский»,

+400

Очистное пространство

подземного р'

Кроме карьера «Олений ручей» на ведение подземных горных работ может оказывать влияние карьер «Ньоркпахкский». Оценим данное влияние по относительному изменению максимальной компоненты главных напряжений, как это было сделано выше по формуле (1).

Для этого дополнительно рассчитаны варианты, моделирующие поэтапное развитие подземных горных работ в сторону карьера «Ньоркпахкский».

На рисунке 4 показано относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений в вертикальном сечении по простиранию рудных тел (по магистрали М+350) при достижении подземными горными работами разреза 9 и 8.

а) б)

Рисунок 4 - Вертикальное сечение по магистрали М+350. Относительное изменение максимальной компоненты главных напряжений (в процентах) при развитии подземных горных работ: а) до разреза 9, б) до разреза 8.

Как видно из рисунка 4 при достижении подземными горными работами разреза 8 в массиве между карьером и подземным очистным пространством формируется общая зона, в которой изменения максимальной компоненты главных напряжений превышают 5%. Наличие такой зоны свидетельствует о существовании взаимного влияния подземных и открытых горных работ друг на друга.

Рассмотрим развитие подземных горных работ под карьерами «Олений ручей» и «Ньоркпахкский» с уменьшением размера потолочного целика между очистным пространством подземного рудника и пространством карьеров, как показано ниже на схеме (рисунок 5). При этом будем анализировать максимальную компоненту главных напряжений в потолочном целике.

На рисунке 5 синей линией показано последовательное развитие подземных горных работ для этапов 1, 2, 3 и 4 под карьером при размерах целика 300 м, красной линией при размерах целика 200 м и зеленой линией при размерах целика 100 м.

/77777/

Рисунок 5 - Схема отработки подземных запасов под карьером при уменьшении размеров потолочного целика.

Ниже в таблице 1 представлены средние значения максимальной компоненты главных напряжений в области массива, располагающейся в середине потолочного целика над фронтом подземных горных работ, а на рисунке 6 показано изменение этих напряжений при развитии подземных горных работ при уменьшающемся размере потолочного целика для карьеров «Олений ручей» (рисунок 6а) и «Ньоркпахкский» (рисунок 6а).

Таблица 1

Значения максимальной компоненты главных напряжении в потолочном целике (в МПа).

Этап отработки запасов Карьер «Олений ручей» «Ньоркпахкский» карьер

Размер потолочного целика Размер потолочного целика

300 м 200 м 100 м 300 м 200 100 м

1 37 41 51 35 37 38

2 38 43 55 37 45 46

3 39 46 60 38 46 48

4 41 48 65 39 47 51

61

70 » 65 | 60 оГ 55 I 50 | 45 ¡"40 Х 35 30 с

-♦-300 -*-100

У / ■ • —1 >- "И

V— ч

1 2 3 4 5 Этапы отработки запасов под карьером

Рисунок б - Изменение максимальной компоненты главных напряжений в потолочном целике при развитии подземных горных работ а) под карьером «Олений ручей» и б) под карьером «Ньоркпахкский».

Как видно из рисунка 6, значения напряжений растут с продвижением фронта подземных горных работ в массив под карьерами. Также наблюдается рост и с уменьшением потолочного целика. Наибольшее изменение напряжений до 15 МПа (до 25%) можно наблюдать при наименьшем размере целика - 100 м. Меньше всего напряжения изменяются при размере целика 300 м и не превышают 4 МПа (менее

10%). Следовательно, наименьшее влияние подземные горные работы оказывают на массив под карьером при размере потолочного целика 300 м. То есть чем больше размер целика между открытыми и подземными работами, тем меньше изменяется его НДС при ведении подземных горных работ.

В результате исследования состояния массива при ведении горных работ на месторождении «Олений ручей» было установлено что, развитие подземных горных работ в пределах разрезов 8-24 не оказывает значительного влияния на открытые горные работы на месторождениях «Олений ручей» и Ньоркпахкское. Следовательно, при разработке месторождения «Олений ручей» в данной области массива можно принимать независимые решения по порядку отработки подземных запасов. При ведении подземных горных работ за пределами разрезов 8-24, то есть в подкарьерных массивах, необходимо учитывать влияние открытых горных работ. В этом случае, чем меньше размер потолочного целика, тем больше оказывают воздействие подземные горные работы на НДС подкарьерного массива.

Согласно разработанному в Горном инстшуге КНЦ РАН в 2007 году «Регламенту на проектирование подземного рудника для добычи апатит-нефелиновой руды месторождения «Олений Ручей»...» подземные очистные работы ограничивались разрезами 10-17 с целью сохранения целиков под карьерами «Ньоркпахкский» и «Олений Ручей». По результатам данных исследований взаимного влияния подземных и открытых горных работ было установлено, что границы охранных целиков под карьерами можно уменьшить и вести подземные очистные работы в разрезах 8-24, это может обеспечить дополнительный экономический эффект при отработке запасов месторождения «Олений ручей».

2. В подработанных породах значительной мощности (более 300 м) при действии тектонических напряжений в кровле камер формируются зоны приведенных растягивающих напряжений, приводящих к частичному самообрушению подработанных пород кровли без выхода обрушения на дневную поверхность. Для перехода от системы разработки с открытым очистным пространством к системе с обрушением необходимо отработать 5 секций (длиной 80 м каждая) на верхнем горизонте и 3 секций на нижележащем горизонте, а также погасить междукамерные и междуэтажные целики.

Полное обрушение налегающей толщи до поверхности при отработке запасов месторождения подземным способом в районе ведения открытых горных работ является крайне негативным фактором. Так как отработка запасов месторождения «Олений ручей» предполагает применение подземных горных работ вблизи карьеров, то необходимо установить возможность обрушения налегающей толщи до дневной поверхности.

Для оценки состояния массива подработанных пород применялся критерий относительных линейных деформаций.

ei = "j7(a' "v(a2 + °з));

1 (2)

е2 = — (°2-v(a, + о3));

Ь

£з -v(c, + а2));

Е

Рассматривалась минимальная компонента деформации е3, которая в наибольшей мере определяет процесс разрушения отрывом. Данную компоненту е3 умножали на модуль Юнга Е и переходили к минимальным приведенным напряжениям.

а3пр = £3 Е = (а3 -г> (ai + а2)) (3)

Далее минимальные приведенные напряжения о3пр сравнивали с пределом прочности пород на растяжение ар. Предполагали, что в тех участках массива, где выполняется условие |ст3пр| > к|ар| (коэффициент к характеризует степень нарушенное™ пород и находится в пределах от 0 до 1 (0 < k < 1)), возможно обрушение массива. Если | а3пр | < к|ар|, то обрушения не будет. Так как массив месторождения является высоконапряженным, и раскрытие трещин маловероятно, то предварительно принимали k = 1.

Кроме исследования абсолютных значений а3пр в сформировавшихся зонах растяжений важен также анализ направления их действия. Если направление действия минимальных приведенных напряжений перпендикулярно направлению естественных трещин, и значения ст3пр близки к пределу прочности на растяжение, то вероятность разрушения данного объема пород увеличивается.

Для оценки состояния подработанного массива было проведено моделирование последовательной отбойки запасов месторождения до отметки -100 м и -200 м. На рисунке 7 представлено распределение минимальных приведенных напряжений в сечении вкрест простирания рудной залежи (разрез 12+40 м) при отработке запасов до отметки -100 м. Следует отметить достаточно высокие абсолютные значения а3пр, близкие к пределу прочности вмещающих пород на разрыв. Зоны, в которых происходит превышение предельной величины, выделены красным цветом.

По мере углубления горных работ до отметки -200 м происходит небольшой рост абсолютных величин минимальных приведенных напряжений при сохранении общих тенденций с достижением предельных величин в зоне, примыкающей к кровле, и в локальных зонах у дневной поверхности, приуроченных к карьерным выемкам и долинам (рисунок 8).

Рисунок 7 - Деформированное состояние пород при отработке запасов до отметки -100 м в виде а) картин изолиний распределения а3пр и б) площадок действия а3пр по разрезу 12+40 м

Рисунок 8 - Деформированное состояние пород при отработке запасов до отметки -200 м в виде а) картин изолиний распределения а3пр и б) площадок действия сг3пр по разрезу 12+40 м

На удалении от кровли камер на 2 - 3 их размера происходит уменьшение растягивающих приведенных напряжений до значений, которые не превышают предела прочности пород на растяжение.

Также были проанализированы площадки, на которые действуют минимальные приведенные напряжения. По мере удаления от очистной выемки к дневной поверхности происходит выполаживание площадок, что будет тормозить процесс развития обрушения до дневной поверхности.

Для обоснования перехода к системе с обрушением пород кровли на нижних горизонтах, где рудные тела характеризуются большей мощностью, необходимо определить параметры очистного пространства двух верхних промежуточных этажей, при которых создаются условия для достаточного заполнения очистного пространства обрушенными породами. То есть объем пород в массиве, вероятность обрушения которых близка к единице, должен быть с учетом разрыхления обрушенной массы приблизительно в 1,5 раза меньше объема очистного пространства.

Для определения параметров очистного пространства, при которых 1,5 х Уо6р > Ук или Уобр > 0,66 х V,, где Уо6р - объем обрушенных пород, Ук -объем открытого очистного пространства, с использованием деформационного критерия прочности были рассчитаны объемы обрушенных пород в каждом вертикальном 20-метровом слое модели V,, секущем очистное пространство. Сумма таких объемов и составляет искомый объем пород Уобр=Е V,. Учитывали предел прочности вмещающих пород на растяжение 10 МПа и ориентацию возможных трещин отрыва.

Были проведены расчеты НДС массива горных пород для вариантов, моделирующих последовательное развитие горных работ на горизонтах +0 и + 100 м и увеличение пролета открытого очистного пространства. На основе критерия относительных линейных деформаций, описанного выше, были выделены области подработанного массива, склонного к обрушению

В результате расчета объемов обрушенных пород и объема очистного пространства в каждом вертикальном 20-метровом слое модели, секущем очистное пространство, и их суммирования были получены данные, представленные в таблице 2.

Таблица 2

Параметры обрушения подработанных пород.

№ варианта м Ук, тыс. м3 Уобр, тыс. м3 К-ООО

1 60 195 26 0,13

2 220 906 276 0,3

3 300 1784 779 0,43

4 380 2008 1604 0,79

Также в таблице 2 представлены 1,1|р - максимальная длина пролета очистного пространства и Ко6р - коэффициент обрушения, равный Ко6р = Уо6р / Ук. По полученным данным был построен график зависимости коэффициента обрушения от максимального пролета очистного пространства, представленный на рисунке 9.

Рисунок 9 - График зависимости коэффициента обрушения К0(-,р от максимального пролета очистного пространства Ьпр.

Как было указано выше, объем пород в массиве, вероятность обрушения которых близка к единице, должен быть с учетом разрыхления обрушенной массы приблизительно в 1,5 раза меньше объема очистного пространства, то есть 1,5 х Уоф > Ук, тогда коэффициент обрушения для данного условия К^р = / Ук > 0,66. Как видно из рисунка 9 данное условие наступает при максимальном пролете очистного пространства 380 м, которое достигается в 4 варианте, моделирующем образование очистного пространства при отбойке пяти камер на промежуточном этаже +100 м и трех камер на промежуточном этаже 0 м.

Следовательно, в условиях Хибинского массива для перехода от системы разработки с открытым очистным пространством к системам разработки с обрушением при невозможности его выхода на дневную поверхность, необходимо сформировать условия для обрушения вмещающих пород и полного заполнения ими выработанного пространства. Такие условия формируются при отработке 5 секций (длиной 80 м каждая) на вышележащем этаже и 3 секций на нижележащем этаже, а также при погашении междукамерных и междуэтажных целиков.

3. В массиве с гравитационно-тектоническим типом поля напряжений с увеличением глубины заложения выработки происходит повышение ее устойчивости за счет снижения концентрации сжимающих напряжений в кровле и выравнивания тангенциальных напряжений по всему контуру выработки. Установлена квадратичная зависимость размеров зоны разрушения вокруг выработки от глубины ее заложения в тектонически напряженном массиве с минимумом на глубине 1500 м.

Для решения вопросов, связанных с исследованием НДС массива вокруг одиночной выработки, была создана плоская модель. Задача решалась в упругой постановке методом граничных элементов. Были рассчитаны 3 варианта, соответствующие трем типам полей напряжений. В варианте №1 моделировалось действие только собственного веса горных пород (Р = уН, О = £уН, где с = и/( 1 - и) -коэффициент бокового отпора, и - коэффициент Пуассона). В варианте №2 кроме действия собственного веса горных пород, моделировалось действие тектонических напряжений равных 50 МПа и неизменяющихся с глубиной (Р = уН, <2 = 50 МПа). В варианте №3 моделировались тектонические напряжения, увеличивающиеся с глубиной, характерные для месторождения «Олений ручей» (Р = уН, О = Т (Н)). Исследовались тангенциальные напряжения на контуре выработки в кровле и стенке, которые обозначены на схеме соответственно цифрами 1 и 2 (рисунок 10). Свойства пород модели соответствовали свойствам пород месторождения «Олений ручей».

а) _ б)

р р

q-

1111111111

:Gq:

llllljrllllllll

:q

lAitiAAAi AAAAAA АГ^Г

Рисунок 10 - Схемы моделей для а) варианта №1, б) вариантов №2,3

В результате расчетов было установлено, что в варианте №1 тангенциальные напряжения в стенке выработки являются сжимающими и растут с глубиной, тангенциальные напряжения в кровле являются растягивающими и растут по абсолютной величине (рисунок 11а).

Рисунок 11 — Изменения тангенциальных напряжений в кровле и стенке выработки с глубиной: а) вариант №1, б) вариант №2, в) вариант №3.

В варианте 2 тангенциальные напряжения в кровле выработки уменьшаются с глубиной, а в стенке тангенциальные напряжения увеличиваются, причем на определенной глубине они выравниваются и становятся сжимающими (рисунок 116). Такое состояние приконтурного массива может благоприятно сказываться на устойчивости выработки с увеличением глубины их заложения.

В варианте 3 тангенциальные напряжения растут в кровле и стенках, однако, в кровле выработки напряжения на определенной глубине, перестают увеличиваться и на других глубинах остаются постоянными (рисунок 11 в). Как и в варианте №2 здесь также можно наблюдать случай с равными значениями тангенциальных напряжений в кровле и стенке выработки.

Для более детального изучения состояния выработки исследовались зоны разрушения в кровле и стенке выработки. Определение размеров зон разрушения проводилось на основе показателя устойчивости пород - Ку. В тех областях массива, где значения Ку< 1, возможны разрушения горных пород при их обнажении. Показатель Ку определялся по критерию разрушения Кулона-Мора

к _ (2-С+1Вф(СТ1 + 02))С05ф

У ~ а1-а2 (4>

где С - коэффициент сцепления (С = 17 МПа), <р - угол внутреннего трения (Ф = 57,8°) и Хука-Брауна

К> = .»-а, (5)

где шь, в, а - параметры, характеризующие массив (а = 0,5, гпь = 8 56 8 = 0,037).

На рисунке 12 представлены зависимости размеров зоны разрушения от глубины заложения выработки для всех трех вариантов с различными критериями разрушения. На вертикальной оси отображены значения размеров зоны разрушения, а на горизонтальной - глубина заложения выработки. График оранжевого цвета отображает изменение размеров зоны разрушения в стенке выработки, синего цвета - в кровле выработки

Как

видно из графиков для вариантов 1 и 3 размеры зоны разрушения растут с глубиной по обоим критериям. Для варианта 2 данная зависимость имеет другой вид. При росте глубины заложения выработки размер зоны разрушения уменьшается до определенной отметки, после которой начинает расти с глубиной. Также необходимо отметить, что зависимость размеров зоны разрушения от глубины для варианта 2 может быть описана квадратичной функцией.

По Кулону-Мору

По Хуку-Брауну

1000 2000 3000

Рисунок 12 - Зависимость размера зоны разрушения контура выработки от глубины залегания выработки для а) варианта №1, б) варианта №2 и

в) варианта №3

В настоящее время горные работы ведутся на глубине 400 м. В результате исследований состояния массива различными натурными методами было установлено, что разрушение на контуре закрепленных выработок происходило преимущественно в кровле. Определенный размер зоны нарушенных пород составил 0,4 м. При исследовании зон разрушений выработок с помощью критериев разрушения было установлено, что для условий месторождения «Олений ручей» на глубине 500 м (по критерию Хука-Брауна) разрушения выработки должны происходить в кровле выработки, и размер разрушений составит 0,15 м, что не превышает размер зоны нарушенных пород, определенный натурными методами.

В результате проведенных исследований состояния приконтурного массива в различных типах полей напряжений было установлено, что при действии в массиве гравитационно-тектонического поля напряжений значения тангенциальных напряжений в кровле и стенке выработки с ростом глубины выравниваются и становятся сжимающими на определенной отметке. Это будет определять улучшение условий устойчивости выработок на больших глубинах (от 1000 м до 2500 м). В случае неизменяющихся с глубиной тектонических напряжений зависимость размера зоны разрушения контура выработки от глубины в первом приближении может быть описана квадратичной функцией с минимумом на глубине 1500 м и дальнейшим ее увеличением с глубиной.

Получены данные о размерах и положении зон разрушений контура выработки при различном соотношении тектонических и гравитационных напряжений, которые согласуются с натурными данными на глубинах до 500 м для условий месторождения «Олений ручей» и могут быть использованы при оценке устойчивости выработок, выборе и расчете параметров крепи выработки на больших глубинах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная научная задача, связанная с геомеханическим обоснованием параметров подземной геотехнологии при совместной отработке месторождения в удароопасных условиях (на примере месторождения «Олений ручей»). В работе представлены результаты исследования НДС массива месторождения «Олений ручей», которые позволили установить основные закономерности распределения природных полей напряжений и выделить зоны их концентраций, также определить основные закономерности перераспределения полей напряжений вблизи очистных пространств и горных выработок. На основании полученных

данных обоснованы безопасные параметры конструктивных элементов системы разработки и условия перехода от системы с открытым очистным пространством к системе с обрушением.

Основные научные выводы и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Комплексом натурных и численных методов уточнено исходное поле напряжений и деформаций массива горных пород месторождения «Олений ручей», которое характеризуется как высоконапряженное с изменением максимальной компоненты главных напряжений от 20 МПа у поверхности и до 50-55 МПа на отметке -1000 м, причем вектор максимальной компоненты ориентирован в горизонтальной плоскости по простиранию рудного тела.

2. Выявлены закономерности изменения напряженного состояния массива пород в зоне влияния двух карьеров и подземных горных работ при совместной разработке месторождения в условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений. По результатам исследований было установлено, что границы охранных целиков под карьерами можно уменьшить со стороны карьера «Олений ручей» на 500 м, со стороны карьера «Ньоркпахкский» на 160 м и вести подземные очистные работы в разрезах 8-24, что обеспечит дополнительный экономический эффект при подземной разработке запасов месторождения «Олений ручей».

3. Выполнено геомеханическое обоснование безопасных параметров камер и целиков при применении системы разработки с открытым очистным пространством. Результаты исследований свидетельствуют о возможности применения этажно-камерной системы разработки с размерами камер и целиков 60 м и 20 м соответственно.

4. Определены параметры обнажений открытого очистного пространства, которые необходимы для обрушения без выхода на поверхность вмещающего массива и перехода от этажно-камерной системы разработки на верхних этажах к системам с обрушением на нижних горизонтах месторождения для условий Хибинского массива. Такие условия формируются при отработке 5 секций (длиной 80 м каждая) на горизонте +100 м и 3 секций на горизонте 0 м, а также при погашении междукамерных и междуэтажных целиков

5. Определены условия и параметры разрушения вокруг выработок в условиях Хибинского массива при различных соотношениях вертикальных и горизонтальных напряжений в нетронутом массиве для прогноза их устойчивости на больших глубинах. Установлено, что наличие в массиве гравитационно-тектонического поля напряжений будет определять улучшение условий устойчивости выработок на больших глубинах от 1000 м до 2500 м.

6. Получены данные о размерах и положении зон разрушений вокруг выработки при различном соотношении тектонических и гравитационных

напряжений, которые необходимы при выборе и расчете параметров крепи выработки.

7. Основные научные и практические результаты диссертационной работы вошли в следующие работы:

- Регламент на проектирование подземного рудника для добычи апатит-нефелиновой руды месторождения «Олений ручей» производительностью 6 млн. тонн руды в год по разделам - подземная отработка месторождения, проветривание подземного рудника и разработка мероприятий по предотвращению горных ударов, Апатиты, 2007;

Методические указания по безопасному ведению горных работ в удароопасных условиях месторождения апатит-нефелиновой руды «Олений ручей», Апатиты, 2012;

Инструкция по креплению горных выработок на месторождении апатит-нефелиновой руды «Олений ручей», Апатиты, 2012;

Регламент опытно-промышленной отработки запасов нижнего яруса месторождения «Олений ручей» в отметках + 180 - 0 м между разрезами 12 -17, Апатиты, 2013.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Козырев A.A. Геомеханическое обоснование безопасных параметров системы разработки и последовательности ведения подземных горных работ на перспективном месторождении «Олений ручей» / A.A. Козырев, И.Э. Семенова, A.B. Земцовский // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010, №9. - С. 289-296.

2. Семенова И.Э. Комплексное геомеханическое исследование массива горных пород удароопасного месторождения «Олений ручей» при ведении подземных горных работ. / И.Э. Семенова, A.B. Земцовский, Д.А. Павлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014, №4. - С. 46-55.

В прочих изданиях:

1. Земцовский A.B. Учет геологических и горнотехнических особенностей массива горных пород при численном моделировании напряженно-деформированного состояния на примере месторождения «Олений ручей» / A.B. Земцовский // Сбалансированное природопользование: сборник материалов IV школы молодых ученых и специалистов, 6-8 ноября 2007 г. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008. - С. 60-64.

2. Земцовский A.B. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических особенностей месторождения «Олений ручей» на напряженно-деформированное состояние массива горных пород по данным

численного моделирования / A.B. Земцовский // Проблемы недропользования: сборник трудов II Всероссийской молодежной научно-практической конференции, 12-15 февраля 2008 г. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. - С. 378390.

3. Земцовский A.B. Оценка устойчивости выработок концентрационного горизонта -220 метров рудника «Олений ручей» по данным численного моделирования / A.B. Земцовский // Тезисы докладов XI Межрегиональной научно-практической конференции. Часть 2. 10-11 апреля 2008 г. — Апатиты: Изд-во КФ ПетрГУ, 2008. - С. 81-82.

4. Земцовский A.B. Геомеханическое обоснование размеров камер и целиков при подземной разработке месторождения «Олений ручей». / A.B. Земцовский // Проблемы недропользования: сборник трудов VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции, 8-10 февраля 2012 г. - Екатеринбург: УрО РАН, 2012. - С 475-484.

5. Козырев A.A. Геомеханическое обоснование параметров обнажений для перехода от этажно-камерной системы разработки к системе с обрушением налегающих пород на месторождении «Олений ручей» / A.A. Козырев, Н.Э. Семенова, A.B. Земцовский // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: сборник трудов 2-ой Российско-китайская научная конференция. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. - С. 434-439.

6. Kozyrev A.A. Complex geomechanical research of the rock mass during underground mining in tectonically stressed rock mass, the Oleniy Ruchey deposit. / A.A. Kozyrev, I.E. Semenova, A.V. Zemtsovskiy // Proceedings of the 3r Sino-Russian Joint Scientific-Technical Forum on Deep-level Rock Mechanics and Engineering. - China, Nanjing, July 2013. - pp. 20 - 29

7. Семенова И.Э. Мониторинг состояния подземных горных выработок на месторождении «Олений ручей» / И.Э. Семенова, A.B. Земцовский, Д.А. Павлов // Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ: сборник трудов Всероссийской научной конференции с международным участием, 24-27 сентября 2013 г. — Апатиты; СПб.: Реноме, 2013.-С. 280-288.

Автореферат

Земцовский Александр Васильевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ В ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОМ МАССИВЕ

Технический редактор В.Ю. Жиганов

Подписано к печати 22.09.2014 Формат бумаги 60x84 1/8.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Усл. печ. л. 3.25. Заказ № 27. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Кольский научный центр Российской академии наук 184209, г. Апатиты, Мурманская область, ул. Ферсмана, 14