Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование рекомендаций по совместной отработке удароопасных рудных залежей рудников Талнаха

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

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование рекомендаций по совместной отработке удароопасных рудных залежей рудников Талнаха"

На правах рукописи

АНОХИН Александр Геннадьевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВМЕСТНОЙ ОТРАБОТКЕ УДАРООПАСНЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ РУДНИКОВ ТАЛНАХА

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

12 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

„,„„„„,........ _ Санкт-Петербург - 2013

005543879

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

Шабаров Аркадий Николаевич доктор технических наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Господариков Александр Петрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», заведующий кафедрой высшей математики

Стеценко Виталий Петрович кандидат технических наук, ОАО «Гипрошахт», главный специалист горного отдела

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетпое учреждение науки Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 27 декабря 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

'^У^ СИДОРОВ

Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В геологическом плане рудная интрузия Талнахского рудного узла Октябрьского и Талнахского месторождений представляет собой последовательно залегающие друг над другом пластообразные мощные залежи богатых, медистых и вкрапленных руд, разделенных между собой хлоритовыми оторочками или безрудными прослоями незначительной мощности. В рудной интрузии прослеживаются почти все уровни тре-щиноватости от крупных разрывов до систем макро- и микротрещин, которые оказывают влияние на формирование региональных полей гравитационных и тектонических напряжений. Рудная интрузия Октябрьского и Талнахского месторождений не зависимо от глубины разработки отнесена к склонной к горным ударам, а с глубины разработки 700 м и ниже к опасной по горным ударам.

В настоящее время отработка рудных залежей интрузии рудниками Талнахского промышленного района проводится в восходящем порядке, который предусматривает последовательную выемку богатых руд, затем медистых и, в последнюю очередь, вкрапленных руд с управлением кровлей твердеющей закладкой. Такой способ отработки интрузии не исключает формирование зон опасных деформаций и напряжений, требует большого объема строительства капитальных и подготовительных выработок и проведения комплекса горных мер по сохранению их эксплуатационного состояния, а также ло исключению динамических форм проявления горного давления при выемке руд. Кроме того, в ближайшие годы на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» ожидается сокращение объемов добычи руды вследствие снижения подготовленных запасов богатых руд.

В сложившихся геологических и горнотехнических условиях повышение безопасности и эффективности горных работ рудников Талнахского рудного узла может быть достигнуто за счет совместной отработки богатых, медистых и вкрапленных руд, реализация которой представляет собой решение сложной горно-геомеханической задачи.

Автор искренне благодарен научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову, к.т.н. В.А. Звездкину за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика и актуальность работы.

В главе 1 приведен анализ геолого-структурных и горнотехнических особенностей разработки Талнахского рудного узла, существующих представлений о формировании поля напряжении и деформаций в массиве горных пород вне и в зоне влияния очистных работ, способов управления горным давлением при отработке свиты пластов рудных и нерудных месторождений, в том числе и опасных по горным ударам. Обозначена цель работы и

задачи исследований.

В главе 2 разработана методика исследования сдвижения породного массива и напряженно-деформированного состояния интрузии при отработке рудных залежей рудников Талнаха.

В главе 3 приведены результаты исследований параметров сдвижения породного массива и поля напряжений и деформаций при совместной отработке богатых, медистых и вкрапленных руд рудников Талнаха. Приведен анализ результатов исследований с установлением закономерностей влияния очистных работ на сдвижение породного массива и напряженно-деформационное состояние рудной интрузии.

В главе 4 выполнено геомеханическое обоснование рекомендаций по порядку и способам совместной отработки рудных

залежей интрузии рудников Таланаха.

В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертации.

В приложении приведены технико-экономические показатели внедрения рекомендаций по совместной отработке рудных

залежей рудников Таланаха.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

«§ 0 5 Ю 15 20

Расстояние от плоскости сместителя тектонического нарушения, м

Рисунок 2 - График изменения концентрации напряжений в районе тектонических нарушений рудной интрузии: 1 - экспериментальный график;

2 - аппроксимированный график

Таким образом, взаимодействие гравитационных и тектонических сил формирует сложное напряженное состояние рудной интрузии рудников Талнаха, которое необходимо учитывать при ведении горных работ.

2. Геодинамически опасные зоны при совместной отработке рудных залежей тектонически нарушенной рудной интрузии рудников Талнаха начинают формироваться с глубины залегания интрузии 600 м и ниже.

Анализ параметров выбуриваемого в рудной интрузии керна показал, что последний может выходить в форме тонких дисков, что свидетельствует о том, что в интрузии появляются напряжения, которые могут превышать предел прочности руды на сжатие. Так, например, при отработке богатых руд рудника «Октябрьский» напряжения в рудной интрузии изменялись в широком диапазоне от 64 до 112 МПа. При этом соотношение напряжений к пределу прочности руды на сжатие достигало до 0,7 и более. Примерно такое соотношение напряжений к пределу прочности руды отмечалось и при отработке вышезалегающих

Рисунок 3 - Горно-геологические условия залегания рудной интрузии (а) и схемы последовательной выемки рудных залежей в восходящем и нисходящем порядке (б, в) и совместной отработки залежей с формированием очистных фронтов в восходящем и нисходящем порядке (г, д)

1, 2,3 - богатые, медистые и вкрапленные руды

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Анохин, Александр Геннадьевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВМЕСТНОЙ ОТРАБОТКЕ УДАРООПАСНЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ РУДНИКОВ ТАЛНАХА

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

На правах рукописи

04201454636

АНОХИН Александр Геннадьевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., с.н.с. Шабаров А.Н

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение................................................................................ 4

Глава 1 Состояние изученности вопроса........................................ 10

1.1 Горно-геологические и горнотехнические особенности Норильского промышленного района................................................................................... 10

1.2 Современные представления напряженного состояния тектонически нарушенного массива горных пород......................................................................................16

1.3 Анализ существующих способов отработки сближенных пластов полезных ископаемых..............................................................................................................................18

1.4 Актуальность проблемы и задачи исследований..........................38

Глава 2 Методика исследований................................................................................................41

2.1 Основные положения............................................................ 41

2.2 Методика шахтных исследований............................................ 42

2.3 Методика лабораторных исследований....................................... 46

Глава 3 Исследование и установление закономерностей напряженно-деформированного состояния рудной интрузии рудников Талнаха....... 55

3.1 Результаты и анализ исследований напряженного состояния рудной интрузии при генезисе Талнахского рудного узла............................. 55

3.2 Результаты и анализ исследований напряженного состояния рудной интрузии рудников Талнаха при ведении очистных работ....................... 58

3.3 Результаты и анализ исследований деформационного состояния рудной интрузии рудников Талнаха при ведении очистных работ.............. 79

Глава 4 Геомеханическое обоснование рекомендаций по совместной отработке сближенных удароопасных рудных залежей рудников Талнаха 87

Заключение................................................................................... 93

Список литературы................................................................................. 95

Приложение Экономический эффект от внедрения рекомендаций по совместной отработке рудных залежей на рудниках Талнаха...................... 105

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

В геологическом плане рудная интрузия Талнахского рудного узла Октябрьского и Талнахского месторождений представляет собой последовательно залегающие друг над другом пластообразные мощные залежи богатых, медистых и вкрапленных руд, разделенных между собой хлоритовыми оторочками или безрудными прослоями незначительной мощности. В рудной интрузии прослеживаются почти все уровни трещиноватости от крупных разрывов до систем макро- и микротрещин, которые оказывают влияние на формирование региональных полей гравитационных и тектонических напряжений. Рудная интрузия Октябрьского и Талнахского месторождений не зависимо от глубины разработки отнесена к склонной к горным ударам, а с глубины разработки 700 м и ниже к опасной по горным ударам.

В настоящее время отработка рудных залежей интрузии рудниками Талнахского промышленного района проводится в восходящем порядке, который предусматривает последовательную выемку богатых руд, затем медистых и, в последнюю очередь, вкрапленных руд с управлением кровлей твердеющей закладкой. Такой способ отработки интрузии не исключает формирование зон опасных деформаций и напряжений, требует большого объема строительства капитальных и подготовительных выработок и проведения комплекса горных мер по сохранению их эксплуатационного состояния, а также по исключению динамических форм проявления горного давления при выемке руд. Кроме того, в ближайшие годы на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» ожидается сокращение объемов добычи руды вследствие снижения подготовленных запасов богатых руд.

В сложившихся геологических и горнотехнических условиях повышение безопасности и эффективности горных работ рудников Талнахского рудного узла может быть достигнуто за счет совместной отработки богатых, медистых и вкрапленных руд, реализация которой представляет собой решение сложной горно-геомеханической задачи.

Исследованию напряженно-деформированного состояния горного массива, попадающего в зону влияния горных работ, посвящены работы ученых: С.Г. Авершина, А.Г. Акимова, В.В. Аршавского, Н.С. Булычева, А.П. Господари-кова, В.А. Звездкина, В.П. Зубова, Г.Н. Кузнецова, В.К. Климко, О.В. Ковалева, A.A. Козырева, В.Н. Опарина, В.Д. Палия, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, М.А. Розенбаума, И.Ю. Рассказова, В.Г. Селивоника, B.C. Сидорова, А.П. Тап-сиева, B.JT. Трушко, A.A. Филинкова, А.Н. Шабарова и многих других.

В этих работах отражены важнейшие положения механики горных пород и массивов, составляющих основу ее современного состояния. Тем не менее, геомеханическое состояние рудной интрузии при совместной отработке совместно залегающих пластобразных мощных залежей разносортных руд недостаточно изучено, особенно на рудных месторождениях, отнесенных к склонным и опасным по горным ударам. До сих пор при разработке регламентов и проектов отработки рудной интрузии Октябрьского и Талнахского месторождений используются ранее полученные закономерности напряженно-деформированного состояния горного массива при отработке одиночных мощных рудных залежей и опыт отработки свиты угольных пластов. Полученные закономерности не могут быть в полной мере использованы при разработке способов совместной отработки разносортных руд рудников Талнаха, как из-за специфики горно-геологических условий их залегания, так и различия прочностных и деформационных характеристик руд интрузии. Поэтому исследовательские работы, связанные с повышением безопасности и эффективности отработки рудной интрузии рудников Талнаха, залегающей в сложных горно-геологических условиях, являются своевременными и актуальными.

В связи с этим, основной темой работы стало исследование геомеханического состояния тектонически нарушенной рудной интрузии в условиях повышенных деформаций и напряжений и разработка на этой основе рекомендаций о безопасной и эффективной совместной отработке рудных залежей рудников Талнаха.

Цель работы. Геомеханическое обоснование рекомендаций по совместной отработке удароопасных рудных залежей рудников Талнаха.

Идея работы. Геомеханическое обоснование безопасной и эффективной отработки рудной интрузии рудников Талнаха должно базироваться на закономерностях формирования гравитационно-тектонического поля напряжений и учете совместного расположения выемочных фронтов рудных залежей друг относительно друга.

Основные задачи исследований:

- исследовать закономерности формирования напряженного состояния массива рудной интрузии с учетом геолого-структурных и горнотехнических особенностей рудников Талнаха;

-исследовать характер изменения напряженно-деформированного состояния массива рудной интрузии при последовательной и совместной выемке богатых, медистых и вкрапленных руд с учетом глубины ведения очистных работ;

- разработать рекомендации по совместной отработке рудных залежей богатых, медистых и вкрапленных руд рудников Талнаха.

Методы исследований. Анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, натурные наблюдения процессов сдвижения и напряженно-деформированного состояния массива горных пород, натурные и лабораторные исследования и аналитическая обработка полученных результатов исследований.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что в условиях рудников Талнаха дезинтеграция рудной интрузии разрывными тектоническими нарушениями формирует неоднородное поле естественных напряжений.

2. Доказано, что в условиях совместной отработки рудных залежей интрузии рудников Талнаха напряженное состояние интрузии, не исключающее проявление горных ударов, начинает формироваться на глубине залегания интрузии 600 м и ниже.

3. Установлено, что в условиях совместной отработки рудных залежей рудников Талнаха напряженное состояние рудной интрузии, не исключающее горные удары, зависит от взаимного расположения очистных фронтов рудных залежей.

Основные защищаемые положения:

1. В приразрывной зоне тектонических нарушений рудной интрузии рудников Талнаха формируются области с концентрацией пониженных (менее уН) и повышенных напряжений (до 3,5 уН), протяженность которых может достигать от 4 до 20 м и более.

2. Геодинамически опасные зоны при совместной отработке рудных залежей тектонически нарушенной рудной интрузии рудников Талнаха начинают формироваться с глубины залегания интрузии 600 м и ниже.

3. Для безопасной и эффективной совместной отработки рудных залежей интрузии рудников Талнаха следует применять нисходящий и восходящий порядок выемки рудных залежей при взаимном расположении очистных фронтов рудных залежей друг относительно друга при нисходящем порядке отработки рудных залежей не менее 15 м и при восходящем порядке не менее 30 м.

Практическая значимость значение работы:

- разработаны рекомендации по выбору порядка и способов совместной отработки рудных залежей интрузии Октябрьского и Талнахского месторождений, отнесенных к опасным по горным ударам;

- разработаны параметры безопасных и эффективных технологических схем совместной отработки богатых, медистых и вкрапленных руд рудников Таланаха.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом шахтных и лабораторных исследований, применением современных методов обработки экспериментальных данных и анализом геомеханического состояния массива интрузии, а также положительными результатами промышленного внедрения рекомендаций на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004), на международной конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (Норильск, 2005-2012 гг.), на научно-техническом совете Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета (Санкт-Петербург, 2003-2012 гг.).

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации по совместной отработке рудных залежей рудников Талнаха используются:

- проектными организациями «ООО Институт «Гипроникель», институт «Норильскпроект» при разработке регламентов выемки запасов богатых, медистых и вкрапленных руд Октябрьского и Талнахского месторождений;

-рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке комплекса горных мер, обеспечивающих безопасные условия отработки богатых, медистых и вкрапленных руд на удароопасных участках рудных залежей.

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский», «Таймырский», «Комсомольский»; в исследованиях процессов сдвижения породного массива и напряженно-деформированного состояния интрузии; в анализе результатов наблюдений, выводе основных научных результатов; в разработке и внедрении рекомендаций по отработке рудных залежей интрузии рудников ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержатся в 5 научных трудах (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 107 страниц текста, 34 рисунка, библиографический список из 108 наименований, 6 таблиц и 1 приложение на 2 страницах.

Автор искренне благодарен научному руководителю д.т.н. А.Н. Шабарову, к.т.н. В.А. Звездкину за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной работы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1 Горно-геологические и горнотехнические особенности Норильского промышленного района

Развитие горнорудной промышленности России в значительной степени связано с разработкой пластообразных рудных залежей. К таким месторождениям относятся Северо-Уральское месторождение бокситов, Миргалимсайское месторождение полиметаллических руд, железорудные месторождения Урала, месторождение Норильского района и другие.

При всем многообразии условий залегания, строения, структуры, физико-механических характеристик руд и вмещающих пород у них есть ряд существенных общих признаков, позволяющих их отнести к одной группе по применяемым системам разработки, условиям применения, проведения и поддержания горных выработок. Кроме того следует отметить, что отработка этих месторождений в настоящее время ведется на достаточно больших глубинах, предельно напряженное состояние рудоносной части, интрузии которых не исключает вероятность проявления горного давления в динамической форме.

Это требует применения специального порядка отработки рудных залежей интрузии, разгрузки ее от высоких напряжений при проходке и охране горных выработок различного назначения.

В Талнахском рудном узле выделяются два крупных месторождения медно-никелевых руд: Талнахское и Октябрьское месторождение (рисунок 1.1).

Месторождения Талнахского рудного узла генетически и пространственно тяготеют к единому сложному по форме интрузивному массиву, называемому Талнахской дифференцированной рудоносной интрузией. В пределах рудоносной интрузии выявлены четыре ветви: Юго-Западная (или Центральная), Северо-Восточная, Северо-Западная и Хараелахская. Не исключено, что дальнейшими разведочными работами будут обнаружены и другие ответвления от Талнахского рудоносного интрузивного массива.

Лмбарнинское

месторождение^ подземных во^-МесшрЪ^с^е Кайеркайское

Месторождение \

I - •

Каларго

Месторождение горы Черна*

Кр'галахское месторождение подземных вод

Рисунок 1.1- Схема Норильского промышленного района

Сульфидное орудинение генетически связано с крупной дифференцированной интрузией габрро-долеритов и представлено тремя основными типами руд: сплошными (наиболее богатыми), вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах нижней части интрузии, вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах, вмещающих интрузию (медистыми).

Сплошные руды образуют несколько пологопадающих линзо- и пластооб-разных залежей мощностью до 50 метров. Они размещаются по нижнему контакту интрузии или в подстилающих породах в непосредственной близости от интрузии.

Форма залежей - сравнительно простая, осложненная сбросами различной амплитуды или послойным расщеплением на флангах.

Контакты сплошных руд обычно четкие, относительно ровные, местами нарушенные апофизами и прожилками. Прочность связи по контакту с метаморфи-зованными осадочными породами в большинстве случаев значительна, контакт с габбро-долеритами бывает ослаблен хлоритовой оторочкой.

Вкрапленные и прожилково-вкрапленные руды в породах интрузии - пик-ритовые, такситовые и троктолитовые габбро-долериты - наиболее распространенный тип руд. Они слагают почти единый рудный горизонт мощностью до 90 м, который в плане перекрывает сплошные руды.

Главные структурные элементы района - глубинный Норильско-Хараелах-ский разлом, Горный сброс и Большой Горст и их оперяющие тектонические нарушения, которые определяют блоковое строение Талнахского рудного узла. Характеристика тектонических нарушений Талнахского рудного узла приведена в таблице 1.1 [1].

Породы и руды Талнахского рудного узла характеризуются сильно развитой тектонической трещиноватостью. Наиболее трещиноваты рассланцованные породы Тунгусской серии, наименее плитчатые карбонатные породы девона и габбро-долериты верхней половины рудоносной интрузии.

1.1- Характеристика тектонических нарушений Талнахского рудного узла

Порядок блока Масштабность проявлений тектонических нарушений Амплитуда смещения Протяженность в плане

абсолютная, м относительная, доли мрт абсолютная, м Относительная, доли Ьрт

I Определяют основные черты тектоники месторождения более 20 более 1 более 3-5 тысяч более 3

II Определяют тектонику отдельных частей месторождения, не пересекают разрывы I порядка 10-20 0,5-1 100-3000 0,2-3

III Определяют тектонику отдельных частей полей рудников, не пересекают разрыв 1-П порядков 2-10 0,1-0,5