Обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды

Павлов, Александр Митрофанович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды"

На правах рукописи

Павлов Александр Митрофанович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ЖИЛЬНЫХ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени,* ■ доктора технических наук

3 ОКТ 2013

Иркутск - 2013

005534208

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Научные консультанты:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Сосновский Леонид Иннокентьевич, **

доктор технических наук;

Филонюк Виталий Андреевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Зубков Альберт Васильевич, доктор технических наук, Институт горного дела УрО РАН, главный научный сотрудник;

Курилко Александр Сардокович, доктор технических наук, Институт горного дела Севера им. Черского СО РАН, заместитель директора по науке;

Лизункин Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.М. Носова»

Защита состоится 24 октября 2013 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», Конференц-

зал.

Факс: 8 (3952) 405-104; e-mail: go_gor@istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Автореферат разослан 23 сентября 2013 года.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Россия по запасам золота занимает третье место в мире. До 75 % этих запасов находятся в месторождениях Сибири и Северо-Востока. Объем рудного золота в общей добыче составляет 70 %, примерно 38 % золотосодержащей руды добываются из жильных месторождений подземным способом.

Золоторудные жильные месторождения характеризуются сложным геологическим строением, развитой тектоникой, трещиноватостью массива горных пород. Состояние устойчивости обнажений вмещающих пород может меняться в пределах выемочного блока. Балансовые запасы в недрах расположены крайне неравномерно с дискретным распределением металла. Две трети золоторудных месторождений Сибири и Северо-Востока России залегают в условиях многолетней мерзлоты. Знакопеременный температурный режим шахтного поля влияет на физико-механические свойства руд и пород, на их устойчивость при обнажении и, как следствие, разработка запасов ведется с повышенными потерями руды. При разработке золоторудных месторождений, особенно на больших глубинах, отмечаются проявления горного давления, что негативно отражается на эффективности ведения горных работ.

Добыча руды из золоторудных жильных тел в сложных условиях геологической среды производится трудоемкими и высокозатратными системами разработки, допускающими потери металла до 20 % и повышенное разубожива-ние, при этом имеет место выборочная отработка балансовых запасов месторождений с оставлением руд с невысоким содержанием металла, что в целом приводит к снижению рентабельности производства.

Для геологического строения золоторудных месторождений характерно проявление свойства фрактальности (системной дискретности). Существующие методы определения параметров геотехнологии не в полной мере учитывают прерывистость элементов геологической среды и, как правило, базируются на основе непрерывных моделей рудоносности и напряженности горных массивов. При определении параметров целиков и обнажений кровли, боков очистного пространства недостаточно учитывается изменение их устойчивости во времени. Без научно-обоснованного учета фрактальной изменчивости геологической среды и устойчивости конструктивных элементов систем разработки в зависимости от срока отработки в условиях знакопеременного температурного состояния горного массива невозможно выявить реальные условия подземной разработки золотосодержащих жил. Жильные месторождения золота находятся в районах с суровыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой, что повышает затраты на их освоение и требует применения эффективной геотехно-

логии. В связи с этим проблема повышения эффективности разработки жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды является весьма актуальной.

Степень разработанности. В основе геолого-информационного обеспечен ния проведенных исследований использованы последние достижения нового направления в сфере наук о Земле, которые базируются на концепции самоорганизации в развитии геологической среды. Первые результаты этих исследований в области геологии рудных месторождений опубликованы в работах ГЛ. Поспелова, В.А. Нарсеева, В.А. Филонюка, Ф.А. Летникова, их учеников и последователей. В горном деле это направление также нашло свое развитие главным образом при изучении геомеханического состояния горных массивов и в литературе обрело статус «нелинейной геомеханики». Наибольший вклад в становление и развитие данного направления внесли следующие ученые: М.В. Курленя, В.Н. Опарин, М.А. Иофис, И.М. Батугина, И.Ю. Рассказов, Н.П. Влох, A.B. Зубков, А.Д. Сашурин, O.A. Хачай, Л.И. Сосновский и другие.

Научные основы подземной геотехнологии разработки месторождений в криолитозоне освещены в работах известных российских ученых В.П. Бакаки-на, Е.Т. Воронова, С.Г. Гендлера, Ю.Д. Дядькина, В.И. Емельянова, А.А Зиль-берборда, В.П. Зубкова, В.Ю. Изаксона, К.Н. Костромитинова, A.C. Курилко, Ю.В. Михайлова, Г.П. Необутова, М.Д. Новопашина, Ю.А. Хохолова, В.А. Шерстова, П.Д. Чабана и других.

В развитие и совершенствование геотехнологии разработки жильных месторождений значительный вклад внесли: М.И. Агошков, Ю.П. Галченко, Н.Х. Загиров, Б.М. Зайцев, Р.П. Каплунов, Г.А. Курсакин, В.М. Лизункин, А.И. Ляхов, Г.М. Малахов, Л.А.Мамсуров, А.Ф. Назарчик, И.А. Олейников, Д.И. Ра-фиенко, В.Д, Томилов, A.M. Фрейдин и многие другие.

На основе изученного опыта и проведенного анализа геотехнологий отработки жильных золоторудных месторождений установлено, что недостаточно изучены условия геологической среды с позиции фрактальности, криолитозоны и времени отработки, которые в совокупности определяют сложность объекта эксплуатации и ключевым образом влияют на обоснование параметров геотехнологии. С учетом этого автором выполнены исследования в направлении обоснования параметров геотехнологии подземной разработки жильных золоторудных месторождений и полученные результаты отражены в научных положениях представленной работы.

Цель работы — обоснование параметров подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды, обеспечивающей эффективность и безопасность добычи руды из недр.

Идея работы состоит в использовании свойств фрактальности геологической среды, закономерностей природных и техногенных напряжений в целиках и обнажениях очистного пространства во времени и температурного состояния горных пород криолитозоны, как ключевых факторов для обоснования параметров подземной геотехнологии.

Задачи исследований:

1. Анализ существующих геотехнологий подземной разработки жильных золоторудных месторождений.

2. Изучение и использование фрактальных свойств геологической среды, как факторов, влияющих на обоснование параметров подземных геотехнологий.

3. Исследование состояния массива горных пород и отбитой руды в условиях криолитозоны и определение влияния температурного режима на устойчивость пород и руд, полноту выемки балансовых запасов руды.

4. Разработка системы комплексной оценки устойчивого состояния горных пород и руд в очистном пространстве с учетом выявленных свойств геологической среды.

5. Обоснование параметров и совершенствование подземной геотехнологии разработки крутопадающих и наклонных жил в условиях выявленных закономерностей строения геологической среды с учётом величин природных и техногенных напряжений горных пород и руд, фактора времени и температуры пород шахтного поля.

6. Опытно-промышленные испытания, внедрение результатов исследований и оценка их эффективности.

Научная новизна диссертации:

1. Предложен новый комплексный подход к оценке состояния геологической среды для геолого-информационного обеспечения геотехнологий, основанный на использовании свойств ее фрактальности с учетом криолитозоны и принципов построения подземной геотехнологии разработки золоторудных жильных месторождений в сложных условиях.

2. Выявлены закономерности дискретного распределения металла в золоторудных телах месторождений и на их основе научно обоснована методика технологического оконтуривания рудных тел на стадии эксплуатации, повышающая достоверность и эффективность подсчета запасов в блоке.

разработки, установлено их влияние на геомеханические свойства руд и вмещающих пород, а также качественно-количественные показатели добычи руды.

4. Научно обоснована и разработана оценка устойчивости обнажений массива горных пород, учитывающая знакопеременное температурное состояние пород шахтного поля, их прочностные свойства, трещиноватость и тектонику, районирование горного массива на высоконапряжённые и средненапряжённые зоны, строение кровли. На ее основе с учетом выявленных свойств: фрактально-сти распределения золота в пространстве и участков повышенной трещиновато-сти, времени стояния обнажений вмещающих пород определены параметры подземной геотехнологии для крутопадающих и наклонных золоторудных жил.

5. На базе установленных закономерностей разрушения приконтурной части массива, с учетом локальной тектоники, напряженного состояния пород и срока устойчивого стояния кровли и бортов очистной камеры, необходимого для выемки балансовых запасов эксплуатационного блока, обоснован способ поддержания очистного пространства при разработке крутопадающих и наклонных жил.

6. Установлена зависимость продолжительности устойчивого стояния очистной камеры от количества поясов крепления и глубины закрепляемого слоя пород при различных сечениях очистного забоя. На ее основе предложена технология отработки крутопадающих жил, учитывающая конструкцию гибкой системы расположения буровых штреков — поясов крепления и методику подбора сечения очистной выработки, что позволяет на время очистной выемки запасов создать благоприятные условия для применения высокопроизводительной системы разработки в сложных условиях геологической среды.

7. Научно обоснована технология отработки наклонных золотосодержащих жил в сложных горно-геологических условиях с разделением на зоны работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением, позволяющая применить современное оборудование и крепление и достичь более высокого уровня эффективности и безопасности очистных работ.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:

1. Проведен прогноз средне и высоконапряженных зон для условий Зун-Холбинского месторождения, позволяющий в соответствии с усовершенствованной методикой районировать горный массив по степени устойчивости и, на основе чего, выбирать безопасные и эффективные технические решения подземной геотехнологии.

2. Разработана и в опытном порядке внедрена методика технологического оконтуривания промышленных рудных тел и оценки показателей потерь и разубоживания в условиях дискретного распределения металла в недрах, позволяющая повысить качество извлечения полезного ископаемого из недр на золоторудных месторождениях.

3. Разработаны и внедрены классификации устойчивости горных пород и руд, учитывающие горно-геологические особенности крутопадающих, наклонных и пологих золоторудных жил в криолитозоне для ряда месторождений Сибири и Северо-Востока России.

4. Установлены рациональные области применения крепления очистного пространства гидравлическими взрывозащищенными стойками и различными видами анкерного и канатно-анкерного крепления с минеральным и полимерным наполнителями при подземной разработке жильных золоторудных месторождений.

5. Разработана методика расчёта параметров канатно-анкерного крепления пород бортов очистных камер крутопадающих жил с учётом их напряжённо-деформированного состояния и времени устойчивого положения обнажений, необходимого для отбойки и выпуска руды.

6. Разработан и внедрен комплексный метод управления геомеханическими процессами в криолитозоне при отработке наклонных жил с учетом последовательности выемки камерных запасов, целиков и погашения выработанного пространства.

7. Определены параметры отработки наклонных жил и создана геотехнология с разделением на зоны выемки запасов и целиков с погашением пустот регулируемым самообрушением, обеспечивающие безопасность работ и сокращение потерь в недрах.

8. Для крутопадающих жил на основе предложенной гибкой системы расположения подэтажных буровых штреков - поясов крепления определены параметры, системы разработки с подэтажной отбойкой скважинами малого диаметра и канатно-анкерным креплением бортов.

9. Разработан комплект методических и нормативных документов по управлению геомеханическими процессами и определению параметров конструктивных элементов геотехнологий подземной разработки жильных месторождений в сложных условиях геологической среды для золотодобывающих предприятий Сибири и Северо-Востока России.

Основные рекомендации исследований использованы при проектировании систем разработки на рудниках «Ирокинда», «Холбинский», «Ново-Широкинский», ЗК «Майское», ГОК «Коневинское» и др. Все решения и технические разработки прошли промышленные испытания на золоторудных месторождениях с экономическим эффектом.

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по горно-геологическим специальностям ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Методология и методы исследований. В работе осуществлено обобщение результатов комплексных аналитических, лабораторных, производствен-

ных исследований: анализ теории и опыта подземной геотехнологии золоторудных месторождений; лабораторные испытания образцов пород; натурные наблюдения и измерения; производственные эксперименты; графоаналитика элементов сложной геологической среды; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния массива с использованием математического моделирования; опытно-промышленная проверка разработанных технологий.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Технологическое оконтуривание промышленных руд в условиях фрактального распределения металла в жильных золоторудных телах характеризуется последовательным объединением дискретных участков с аномальными его концентрациями, входящими друг в друга. Оценка качества руды в контуре должна производиться методом взвешивания средних содержаний по сортовым классам на зоны их влияния, а не по конкретным содержаниям металла в пробах, что повышает достоверность подсчета запасов в эксплуатационном блоке.

2. Знакопеременный температурный режим шахтного поля в массиве мно-голетнемерзлых пород в зависимости от сезона года и глубины разработки оказывает влияние на устойчивость их обнажений и образование потерь руды при очистной выемке. Учет первого фактора необходимо осуществлять посредством использования дифференцированной поправки в расчетах коэффициента структурного ослабления массива, устанавливаемой на основе мониторинга величин природных напряжений и фактического поведения массива, а снижение уровня потерь руды достигается применением специальной технологии.

3. Оценку геомеханического состояния горного массива сложно-структурных жильных месторождений в рамках многоуровневой (иерархической) системы, определяющей фрактальные закономерности формирования тектонических структур, целесообразно производить путем установления пространственного положения средне и высоконапряженных участков, при этом количественную оценку величин природных напряжений следует осуществлять на основе натурных измерений напряжений и решений обратных геомеханических задач по данным фактических проявлений горного давления с учетом морфологии, физико-механических свойств и температурного состояния пород.

4. При обосновании параметров подземной геотехнологии крутопадающих жил в условиях сложной геологической среды необходимо учитывать время устойчивого стояния бортов очистной выемки на период отбойки и выпуска руды. Это достигается кратковременным переводом вмещающих пород из неустойчивого состояния в устойчивое путем подбора сечений очистного пространства в пределах технологического контура и конструктивных параметров гибкой системы расположения буровых штреков - поясов крепления, что поз-

волит обеспечить высокую производительность добычи руды с меньшим уровнем затрат, при повышении безопасности работ.

5. Отработку наклонных золотосодержащих жил целесообразно проводить в технологически выделенных контурах запасов с разделением на зоны работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением. При обосновании параметров геотехнологии следует учитывать свойства фрактальности геологической среды, время выемки запасов и знакопеременное температурное состояние массива горных пород, что позволит повысить безопасность условий труда и эффективность очистных работ.

Степень достоверности научных положений подтверждается: представительным объемом изученной и обработанной рабочей геологической информации по жильным золоторудным месторождениям Сибири и Северо-Востока России; сходимостью результатов лабораторных, аналитических и натурных исследований; соответствием физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород; положительными результатами внедрения предложенных технических решений в геотехнологии разработки месторождений.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на технических совещаниях: кафедры РМПИ ИрГТУ, кафедры ПРМПИ Забайкальского ГУ, ОАО «Бурятзолото», ООО «ЗК Майское», рудников «Хол-бинский», «Ирокинда», ГОК «Коневинское» (г. Иркутск, г. Чита, г. Улан-Удэ, п. Певек, п. Ирокинда, п. Самарта, п. Орлик, 2003-2012 гг.), золотодобывающей компании «High River Gold» (г. Торонто, Канада, 2008 г.); в Бурятском Управлении Ростехнадзора РФ, на НТС Бурятнедра РФ (Улан-Удэ, 2004 г), ежегодной научной конференции «Игошинские чтения» ИрГТУ (г. Иркутск, 20032011 гг.); региональной научно-практической конференции «Горному надзору России - 285 лет» (г. Улан-Удэ, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» с участием иностранных ученых, ИГД СО РАН (г. Новосибирск, 2007 f.); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие горнометаллургической отрасли» ИрГТУ (г. Иркутск, 2009 г.); научной конференции «Геомеханика в горном деле», ИГД УрО РАН (г. Екатеринбург, 2009 г.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка», МГГУ (г. Москва, 20082011 гг.), Международном форуме по стратегическим технологиям «IFOST-2013» (г. Улан-Батор, Монголия, 2013 г).

По теме диссертационной работы опубликовано 32 работы, в том числе 19 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК России, и монография.

Автор искренне благодарит: доктора технических наук Л.И. Сосновского, доктора геолого-минералогических наук, профессора В.А. Филонюка за консультации в процессе выполнения работы; преподавателей кафедры РМПИ

ИрГТУ, работников ОАО «Бурятзолото», Ирокиндинского и Холбинского рудников, ГОК «Коневинское», содействовавших проведению лабораторных и промышленных экспериментов.

■ и

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа представлена на 289 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков, 42 таблицы.

Во введении изложены актуальность, степень разработанности, цель и задачи исследований. Представлена новизна работы и научные положения, теоретическая и практическая значимость, методология и методы исследований, а также степень достоверности и апробация результатов.

Первая глава посвящена анализу и обобщению опыта разработки золоторудных жильных месторождений подземным способом в сложных горногеологических условиях, выявлена значимость проблемы. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований. Во второй главе дано объяснение свойств дискретного распределения золота в пространстве, раскрыт его сложный закономерно-прерывистый характер. Выявлена периодическая смена обогащенных участков, нелинейный характер изотропного уменьшения численных значений содержания золота от точек с высоким содержанием. Раскрыта методика технологического оконтуривания золоторудного тела в пространстве и доказана его эффективность, выраженная в повышении достоверности подсчета эксплуатационных запасов блока. В итоге доказано первое научное положение (стр. 11-16). В третьей главе рассмотрены свойства массива горных пород в криолитозоне. Проведено ее зональное районирование. Установлено, что для каждой зоны характерно свое поведение пород в массиве и отбитой руде. Определена зависимость влияния температурного фактора в установленных зонах на устойчивость массива. Предложены мероприятия по снижению потерь металла, связанных с наморозкой руды в ходе производства технологических процессов добычи. На основании чего доказано второе научное положение (стр. 16-19). В четвертой главе рассмотрено свойство фрактальности природных и техногенных полей напряжений и установлено их влияние на устойчивость массива горных пород. Показана необходимость учета выявленного свойства на проведение регионального и локального прогнозов геомеханического состояния массива горных пород, что необходимо для обоснования параметров подземной геотехнологии жильных месторождений золота. Раскрыто влияние на устойчивость руд и пород ряда горногеологических факторов: наличия зон рассланцевания; угла наклона жилы и

формы рельефа кровли очистного пространства; интенсивности проявления блоковой тектоники и трещиноватости; температурного режима в шахте и др. На основе проведенных исследований разработана классификация устойчивости вмещающих пород и руд. В совокупности доказано третье научное положение (стр. 19-27). В пятой главе обоснованы параметры подземной геотехнологии крутопадающих золоторудных жильных тел с учетом срока устойчивого стояния бортов очистной выемки на период отбойки и выпуска руды в построенном технологическом контуре балансовых запасов блока. Разработана технология создания гибкой системы расположения буровых штреков — поясов крепления и методика подбора сечения очистной выработки. Приведен пример обоснования параметров системы с подэтажной отбойкой скважинами малого диаметра и канатно-анкерным креплением бортов с буровых подэтажных штреков - поясов крепления в выделенном технологическом контуре балансовых запасов очистного блока. Приведены расчеты основных ее параметров. В результате доказано четвертое научное положение (стр. 31-27). В шестой главе представлено обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных жил в криолитозоне и приведены расчеты ее конструктивных параметров. Дано обоснование способов поддержания очистного пространства. Раскрыта геотехнология отработки наклонных золотосодержащих жил в сложных горногеологических условиях с разделением на зоны (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением. В итоге доказано пятое научное положение (стр. 27—37). В седьмой главе представлены результаты промышленных испытаний предлагаемых методик и геотехнологий, их реализации на золотодобывающих рудниках с экономической оценкой. В заключении диссертации обобщены результаты выполненных исследований в соответствии с поставленными задачами, даны рекомендации по направлению дальнейших перспективных исследований по данной теме. Представлен список литературы, используемой автором при решении поставленных задач. В приложении к работе приведены материалы, подтверждающие реализацию предлагаемых методик и технических решений подземной геотехнологии разработки золоторудных месторождений с оценкой их эффективности. Выполненные автором исследования в направлении обоснования параметров и полученные результаты отражены в следующих научных положениях.

содержаний по сортовым классам на зоны их влияния, а не по конкретным содержаниям металла в пробах, что повышает достоверность подсчета запасов эксплуатационном блоке.

В ходе анализа распределения золота в границах рудного тела выявилась закономерность: на различных масштабных уровнях («месторождение», «рудное тело или блок», «забой горной выработки или локальный срез рудного тела», «рудный монолит», «минеральное зерно») распределение скоплений или аномальных концентраций золота имеет дискретный и упорядоченный характер (рисунок 1).

А Б В

Рисунок 1 - Эмпирические модели дискретного распределения золота:

А — в анишифе; Б —в монолите ; В — в забое; Г— в блоке; Д—на вертикальной проекции всей рудоносной зоны. Зун-Холбинское золоторудное месторождение. Интенсивность штриховки на В, Г, Д подчёркивает концентрацию металла

Мотив дискретности (прерывистости) идентичен или самоподобен (свойство фрактальности). Выявлена периодическая смена обогащенных участков как по простиранию, так и по падению золоторудных жил. На уровне эксплуатационного блока величина этого периода (периодичность появления мелких рудных столбов) находится в пределах 7 м. Параметры структурных матриц, контролирующих дискретность распределения обогащенных золотом участков на различных масштабных уровнях, последовательно убывают от «месторождения» к «локальному срезу рудного тела» по нелинейному закону с коэффициентом, изменяющимся в пределах 2,0-2,5. На локальных масштабных уровнях структурно организованной системы поля концентрации золота в рудном теле (уровень «блока» и «локального среза рудного тела») на фоне общего дискрет-

ного распределения золота отчётливо наблюдается нелинейный характер изотропного уменьшения численных значений содержаний золота от точек с относительно высоким содержанием (рисунок 2). Проведенные нами исследования позволили сделать вывод, что влияние крупного золота на достоверность определения содержания в пробе и не учёт нелинейного характера распределения концентраций золота в естественном залегании рудного тела ведет к систематическому завышению средних значений содержаний по результатам экспло-опробования в очистном блоке до 22 %. Нелинейность можно аппроксимировать функцией натурального логарифма.

Рисунок 2 - Модельный пример распространения влияния отдельной золотины в условиях нелинейного (фрактального) характера структурной организации поля концентрации золота и схема последовательного ограничения разномасштабных таксонов с помощью эллипса

На основе выявленной зависимости разработана методика оконтуривания промышленных руд на стадии эксплуатации. Сущность ее состоит в ограничении последовательно входящих друг в друга элементов неоднородности при переходах от дискретного к условно непрерывному представлению о внутреннем строении рудного тела. Это достигается за счёт аппроксимации формы аномальных рудных обособлений в горизонтальном или вертикальном поперечном сечении рудной зоны эллипсами с различными сочетаниями продольных и поперечных осей (см. рисунок 2).

На золоторудных месторождениях, исходя из опыта эксплуатации, можно выделить следующие сортовые разновидности руд.

1 .Убогие руды. Содержания в них колеблются в диапазоне «след» —1,0 г/т.

2. Средние (или рядовые) руды. Содержания металла колеблются в интервале 1,0-10,0 г/т.

3. Богатые руды. Содержания в них изменяются в пределах 10,0-100,0 г/т.

4. Весьма богатые руды. Колебания содержаний от 100 г/т и более.

С целью учёта свойства нелинейности поля концентрации золота нами выбраны логарифмические классы изменения содержаний в выделенной выше условной сортности, поэтому уровень концентрации металла в смежных клас-

сах отличается на порядок. Это обстоятельство в условиях больших погрешностей содержаний в единичных пробах позволит более корректно разделять руды по предложенным сортам. Опять же, учитывая свойство нелинейности поля концентраций золота, среднее содержание металла в каждом сорте следует определять с использованием функции натурального логарифма (таблица 1).

Таблица 1 - Средние содержания золота по сортам руд

Параметры логарифмических классов изменения содержаний Классы содержаний по сортам, г/т

0,1-1,0 1,0-10,0 10,0-100,0 100,0-1000,0

Логарифмические границы классов (1п) -0,3-0 0-2,3 2,3-4,6 4,6-6,9

Логарифмическая середина класса (й) -1,15 1,15 3,45 5,75

Среднее содержание в классе (апШ) 0,3 3,1 31,4 314,0

Прежде, чем проводить оконтуривание промышленных руд, необходимо максимально корректно выделить и оконтурить участки размещения рядовых и богатых руд (класс содержаний 10,0-100,0 и 100,0 и более г/т). На примере оконтуривания рудного тела «Вавиловское» (Зун-Холба) видно, что все участки, объединяющие богатые руды, т.е. оконтуренные по пробам от 10 г/т и выше, расположены дискретно и неравномерно (рисунок 3-а). Локальные обособления с содержанием выше 100 г/т расположены внутри выделенных эллипсов.

Практическое применение предлагаемого подхода к оконтуриванию таксонов показано на рисунке З-б. Полученная схема отображает характер природного распределения металла внутри рудной зоны. Линейное или линейно-зональное оконтуривание применяется на окончательной стадии геометризации промышленного рудного тела. Оно реализуется в различных вариантах и выполняется на основе выделенных таксонов второго уровня. Технология проведения контура та же, что и при таксономировании с использованием эллипсов, т. е. линия контура должна касаться линии крайних эллипсов, ограничивающих таксоны второго уровня. В данном случае контур будет объединять сближенные по простиранию рудной зоны таксоны второго уровня (рисунок 3-в, г, д). При проведении предлагаемой процедуры последовательного оконтуривания должно соблюдаться основное требование - не потерять при оконтуривании ни одного таксона первого и второго уровня, поскольку именно эти масштабные уровни неоднородности являются носителями основного запаса металла (влияние свойства нелинейности в структурной организации поля концентрации золота).

Рисунок 3 - Распределение сортов руд по классам содержаний:

в тёмных эллипсах руда с сдержанием 10-100 г/т и более; в светлых эллипсах второго уровня руда со средним качеством 21,4 г/т; жирными линиями показаны места расположения проб класса 1—10 г/т; остальное пространство заполнено пробами класса 0—1 г/т; рудное тело «Вавиловское» гор. шт. № 12 (Зун-Холба)

Предлагаемая методика технологического оконтуривания промышленных руд в условиях закономерно-прерывистого распределения золота, характеризующегося свойствами фрактальности, учитывает эти свойства и позволяет промышленный контур максимально совместить с природными границами наиболее вероятной локализации золота, выявить масштаб и размеры неоднородности распределения золота, несущих основной его запас и на этой основе обоснованно выделить границы промышленного рудного тела с заданным количеством руды, не используя при этом бортовое содержание.

Использование при оконтуривании промышленных рудных тел и оценке качества руды в пределах контура осредненных по сортовым классам содержаний, а не конкретных содержаний по пробам, повышает достоверность и эффективность геологического обслуживания процесса промышленного освоения месторождения.

2. Знакопеременный температурный режим шахтного поля в массиве многолетнемерзлых пород в зависимости от сезона года и глубины разработки оказывает влияние на устойчивость их обнажений и образование потерь руды при очистной выемке. Учет первого фактора необходимо осуществлять посредством использования дифференцированной ноправки в расчетах коэффициента структурного ослабления массива, устанавливаемой на основе мониторинга величин природных напряжений и фактического поведения массива, а снижение уровня потерь руды достигается применением снециальной технологии.

Анализ замеров температуры горных пород многолетнемерзлого массива и воздуха в отрабатываемых шахтных полях золоторудных месторождений выявил общую закономерность — криолитозона не однородна по температурному режиму в шахтном поле, что обуславливает различную устойчивость обнаженного массива горных пород, поэтому он подлежит районированию на зоны. Зоны характеризуются изменением физико-механических свойств горных пород и, как следствие, устойчивости обнаженного массива под воздействием знакопеременной температуры. Это видно на примере Ирокиндинского месторождения (таблица 2).

Таблица 2 - Характеристика зон массива многолетнемерзлых пород шахтного поля жилы «Центрально-Тулуинская» рудника «Ирокинда»

Зоны Температура пород, 0 С Глубина изменения температуры пород, м Распространение зоны, м Устойчивость пород

Постоянная <(-1) 0 до 350 Устойчивые

Сезонно-переходная <Н-1) 0,1-0,5 до 30 Неустойчивые

Сезонная > 0(лето) < 0 (зима) 0,1-2,0 до 200 Неуст. (лето) Ср.уст.(зима)

Природно-переходная 0,5-<-1) 0 до 150 Неустойчивые

Техногенная >0 0,1-2,0 Область камеры Неустойчивые

При районировании массива многолетнемерзлых горных пород шахтного поля определено пять характерных зон: постоянная, сезонно-переходная, сезонная, природно-переходная и техногенная.

Количественную оценку устойчивости массива горных пород в зонах многолетней мерзлоты предлагается производить через корректировку коэффициента структурного ослабления пород (Кс) на основе методики Д.Н. Кима посредством введения дифференцированной поправки - Д, учитывающей влияние знакопеременных температур на состояние льда в трещинах пород, из выражения:

К, = -

- + 0.315 +Д

(1)

с 0.53(///&+1,175) где / - линейный размер оцениваемого на прочность участка массива, м; /б,—линейный размер структурного блока, м.

Величина поправки Д принята на основе проведенных исследований мониторинга величин природных напряжений и фактического поведения массива) дифференцированно: для мерзлых пород («постоянной» зоны) равным 0,4; «сезонной» (зима) - 0,2; «сезонно-переходной» и «природно-переходной» зоны -ОД; «техногенной», «сезонной» (лето) - 0.

Установлены зависимости изменения коэффициента структурного ослабления массива и его влияние на устойчивость в разных температурных условиях пород шахтного поля (рисунок 4).

линейный размер блока Рисунок 4 - Зависимость изменения Кс массива в районированных зонах

Расчеты показывают, что постоянно мерзлые породы имеют коэффициент структурного ослабления примерно равный единице. Это предполагает, что мерзлота цементирует трещины и делает массив пород монолитным. При растеплении влияние мерзлоты снижается и в условиях талых пород коэффициент

А равен нулю. С помощью коэффициента структурного ослабления пород производится определение коэффициентов запаса прочности целиков, кровли камер и допустимых напряжений в них, которые служат критерием оценки устойчивости в криолитозоне.

Наиболее значимыми факторами, влияющими на полноту и качество извлечения руды и металла из недр в условиях криолитозоны, являются потери в целиках и в намороженной рудной мелочи, а также вторичное разубоживание отбитой руды. Уровень потерь руды в целиках и ее разубоживание зависит от состояния устойчивости кровли очистного пространства, которое для районированных нами зон массива горных пород шахтного поля в условиях вечной мерзлоты будет различным, что необходимо учитывать при обосновании параметров геотехнологии.

Свойства отбитой руды в условиях криолитозоны существенно влияют на показатели потерь металла, производительность выпуска и доставки руды. В ходе исследования состояния отбитой руды при выпуске и доставке было выявлено, что руда при знакопеременном температурном режиме (массив — отбитая руда - воздух) в условиях криолитозоны начинает смерзаться. Отмечено, что когда температура пород висячего (кровли) и лежачего бока (подошвы) ниже температуры отбитой руды и воздуха, а влажность которых выше, то идет наморозка руды на вмещающие породы при ее движении до 0,1 ми замерзание, когда движение отсутствует, например, при температуре массива минус 2 °С в течение суток (рисунок 5).

Г. час

й 2 4 8 8 10 12 14 16 18 20 г2 2«2вг8303234;56М«0<2 44

1 1 1 1 |

| 1 | 1

1 1 1 1

1 1 \

) 1 —! ! I

! 1 При мощности очистного поостоанства 1м

1 | 1 I

I I / |

! \/ |

| | |

1 1

1 1 1

, 71 Г ] | |

Рисунок 5 - Зависимость времени смерзания руды в магазине без движения (ГОК «Коневинское»)

Для исключения замораживания руды в магазине необходимо регулярно в течение суток вести площадной выпуск руды и поддерживать температуру воздуха в соответствии с температурой массива.

Количество наморозки рудной мелочи (скрытые потери) в лежачем боку зависит от угла падения рудного тела, мощности очистного пространства, движения руды и температурного режима. В зависимости от этих условий величина потерь может достигать до 10 % (по данным контрольных зачисток на Иро-кинденском, Зун-Холбинском и Коневинском месторождениях). Как показали промышленные испытания, все эти потери руды при применении антисмерза-ющих добавок, выравнивании температурного режима и применении технологии вакуумной зачистки могут быть извлечены.

3. Оценку геомеханического состояния горного массива сложно-структурных жильных месторождений в рамках многоуровневой (иерархической) системы, определяющей фрактальные закономерности формирования тектонических структур, целесообразно производить путем установления пространственного положения средне и высоконапряженных участков. Количественную оценку величин природных напряжений следует осуществлять на основе натурных измерений напряжений и решений обратных геомеханических задач по данным фактических проявлений горного давления с учетом морфологии, физико-механических свойств и температурного состояния пород.

На примере исследования природных напряжений горного массива Зун-Холбинского, Коневинского, Ирокинденского и других месторождений Восточной Сибири и Северо-Востока установлено, что в массиве горных пород природные напряжения распределяются в пространстве дискретно. Известно, что любая область разгрузки (трещина, скопление трещин, тектоническое нарушение) находятся в ареоле повышенного напряжения и структуры поля естественной деструкции являются самоподобными и иерархическими, то есть фрактальны.

Нами установлено, что для массива горных пород Зун-Холбинского месторождения в диапазоне от 15 см до 5833 м выделяются 15 иерархических уровней подобных деструктивных элементов. Основные значения масштабных коэффициентов между средними размерами ячеек смежных уровней находятся в пределах 1,8-2,5. Согласно известной концепции саморазрушения массивов при коэффициенте масштабного подобия от 1,6 до 2,0, горный массив находится в устойчивым состоянии. При величинах коэффициента от 2,0 до 2,3 массив классифицируется как средненапряжённый и характеризуется неустойчивым

состоянием, а при значениях более 2,3 динамически неустойчивые, склонные к разрушению (высоконапряжённые) участки горного массива.

На основе выявленных закономерностей для Зун-Холбинского месторождения сделан прогноз и оценка размещения в пространстве потенциально неустойчивых в геомеханическом отношении участков массива. На планах предполагаемых участков с размерами 60-100 м, в которых рекомендовано проведение локального прогноза, на основе анализа трещиноватости пород по керну и их физико-механических свойств, по усовершенствованной автором для Зун-Холбинского месторождения методике института ОАО «Унипромедь» проведено районирование массива горных пород по устойчивости (рисунок 6).

Рисунок 6 - Карта районирования по устойчивости пород рудного тела Вавиловское (Зун-Холба):

красный (неустпкивь1е)-средненапряженные; синий (весьма неуатйш/вь^-вьюоконапряженные; желтый (средня! уитюйч1жхти)-}агюйч11вЪ1е области горного массива

При районировании горных пород и руд по степени устойчивости учитывались следующие положения относительно их состояния:

• устойчивые и средней устойчивости, находящиеся за пределами элементов неоднородности поля тектонической деструкции (в фоновой его части);

• неустойчивые, опасные по статическим проявлениям горного давления (средненапряженные) зоны в контурах рудного пространства с повышенной удельной трещиноватостью);

• весьма неустойчивые, потенциально опасные не только по статическим проявлениям горного давления, но и по проявлениям его в динамических формах (высоконапряжённые участки в контурах среднена-пряженных зон).

Аналогичные закономерности пространственного строения поля природных напряжений установлены на Коневинском, Майском, Ново-Широкинском месторождениях.

Натурные измерения напряжений горных пород на средненапряженных участках производились методом щелевой разгрузки. В условиях Зун-Холбинского месторождения выявлены следующие закономерности (рисунок 7-а). Вертикальные напряжения характеризуются действиями в основном гравитационных сил, их тектоническая составляющая очень мала и не превышает минус 0,5 МПа. Горизонтальные продольные и поперечные напряжения имеют как гравитационную, так и тектоническую составляющие. Продольные напряжения а„р имеют тектоническую составляющую минус 21,1 МПа, поперечные (7„ - минус 11,6 МПа.

Величины первоначальных напряжений для средненапряженных участков аппроксимируются формулами:

ав = уН-, *„р=-^--уН-2\,\-, а„ =-^-.уН- 11,6, (2) 1/1 1 ц

где ¡и — коэффициент Пуассона; у - плотность горных пород, МН/м3; Н— глубина разработки, м.

На высоконапряженных участках (см. рисунок 7-6) напряжение горных пород определили на основе решения обратных геомеханических задач и выявили следующие закономерности. Вертикальные напряжения также характеризуются действием гравитационных сил. Горизонтальные продольные напряжения имеют тектоническую составляющую минус 21,2 МПа, поперечные напряжения - минус 20,9 МПа. Тектонические составляющие горизонтальных напряжений возрастают по сравнению со средними условиями, например, у поперечных напряжений они возросли в 1,8 раза.

Величины первоначальных напряжений для высоконапряженных участков аппроксимируются формулами:

сгв=)Н- апр = а„ -20,9- (3)

1 -и 1-й

Глубина разработки Н, м Глубина разработки Н, м

Рисунок 7 - Зависимости распределения первоначальных напряжений массива горных пород в зонах:

а - средненапряженных; б - высоконапряженных. 1— вертикальное напряжение;

2 - продольное; 3 - поперечное. Зун-Холбинское месторождение

На Ирокиндинском месторождении определение напряжений производилось в многолетнемерзлых породах и в переходных зонах мерзлых пород в талые на жилах № 30, № 35, «Центрально-Тулуинская» (таблица 3).

В постоянной зоне многолетнемерзлых пород вертикальные и горизонтальные напряжения примерно равны, отклонения не превышают допустимой погрешности измерений. Такое распределение напряжений в пространстве хорошо согласуется с гипотезой А. Гейма - гипотезой гидростатических напряжений. Отклонения теоретических напряжений от измеренных находятся в пределах допустимых погрешностей измерений. Наличие гидростатического поля напряжения обуславливается влиянием многолетней мерзлоты.

Установлено, что в условиях природно-переходной зоны (см. таблица 3) напряжения горного массива отличаются от напряжений в многолетнемерзлых породах. Максимальные напряжения действуют горизонтально в крест простирания рудных залежей. Они больше вертикальных напряжений в 1,7 раза.

Подобные соотношение напряжений было отмечено и на Коневинском месторождении.

Таблица 3 - Природные напряжения в массиве горных пород Ирокиндинского месторождения

Напряжение Глубина разработки, м Теоретическое напряжение (по гипотезе А. Гейма), МПа Данные измерений напряжений горных массивов

число единичных определений напряжения напряжение, МПа отношение продольного напряжения к вертикальному отношение поперечного напряжения к вертикальному

Постоянная зона многолетнемерзлых пород

Вертикальное 200 -5,6 48 -7,4±0,9

Продольное -5,6 24 -9,3±1,4 1,3 1,2

Поперечное -5,6 24 -8,6±1,8

Природно-переходная зона мерзлых пород в талые

Вертикальное 250 -6,6 72 -6,6±0,3

Продольное -6,6 32 -5,9±0,7 0,9 1,7

Поперечное -6,6 32 -10,8±1,5

Горизонтальные напряжения, действующие по простиранию рудных тел, практически равны вертикальным. Это обуславливается действием в горном массиве поля гравитационно-тектонических напряжений. Наличие многолетней мерзлоты в массиве существенно повышает устойчивость обнаженных пород.

Для вопросов устойчивости конструктивных элементов систем разработки необходимо проводить комплексную оценку геомеханического состояния массивов горных пород, включающую в себя:

— обобщённую геоинформационную модель по всему месторождению в электронном виде, отображающую поля распределения удельных концентраций трещин и напряжений, расположение зон многолетнемерзлых пород шахтного поля и карты районирования устойчивости пород и руд;

- натурные измерения напряжений в массиве;

- естественное положение рельефа кровли боковых пород в пространстве (антиклинали, синклинали и их сочленения);

- мощность и строение рассланцованных пород на контакте рудного тела;

- элементы залегания рудных тел;

- физико-механические свойства пород.

Доказано, что каждый фактор этой системы по-своему влияет на состояние устойчивости массива горных пород, тем не менее, только рассмотрение их в совокупности дает более реальное определение устойчивости обнажений массива пород.

На основе этой системы разработана классификации устойчивости вмещающих пород горного массива для наклонных и крутопадающих золоторудных месторождений Восточной Сибири. В качестве примера приведена классификация Ирокиндинского месторождения (таблица 4)

Представленный комплексный подход к оценке геомеханического состояния массива горных пород золоторудных месторождений осуществляется не для средних условий, а дифференцированно, с учетом выявленных дискретных условий напряженного и тектонически нагруженного массива горных пород.

В случае использования средних значений напряжений происходит недооценка устойчивости выработок в высоконапряженных зонах. Это может привести к катастрофическим последствиям. При использовании максимальных значений напряжений будут оставлены целики необоснованно больших размеров. Это приведет к сверхнормативным потерям руды и, как следствие, к снижению эффективности горных работ шахты.

Данный комплексный подход позволяет более достоверно определить устойчивость вмещающих пород, что крайне важно для обоснования параметров подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений.

Таблица 4 - Классификация устойчивости вмещающих пород в зонах многолстнемсрзлых пород шахтного поля

На ее [венные условия положения кровли очистного пространства Мерзлотные и геоло! ические факторы Категория устойчивости

Зоны многолетней мерзлоты Мощность рассланцо-вапной зоны в висячем боку жилы, м Угол наклона осевой поверх ностн жилы, град. Наличие блоковой тектоники Мерзлотный режим Состояние естественного висячего контакта жилы

наличие льда в трещинах «сухая» мерзлота ненарушенное нарушенное

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Естественный свод (купол) Постоянная 0,1-0.2 до 10 Нет - + + - Устойчивая

0,2-0.5 до 10 Пег - + + - Средиеустоп-чнвая

0,5-1 и более до 10 Нет - + - + Неустойчивая

Переходные зоны е сезонная 0,1-0,2 до 10 Нет + + + - Среднеустои-чнвая

0,2-0.5 до 10 Нет + + + - Средисустон-чпвая

0,5-1 и более до 10 Нет + + - + Неустойчивая

природная 0,1-0,2 до 10 Нет + - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Нет + - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 10 Нет +- - - + 11еустойчивая

Талые породы 0,1-0,5 до 10 Нет - - + - Неустойчивая

0,5-1 и более до 10 Нет - - - + Неустойчивая

Окончание таблицы 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Естественный прогиб (провис) кровли Постоянная 0,1-0.2 до 10 Her - + + - Устойчивая

0,2-0,5 до 10 Крупноблочная отдельность - + + - Средпеустой-чивая

0,5 и более до 10 Мелкоблочная отдельность - + - + Среднеустой-чнвая

Переходные сезонные 0,1-0,2 до 10 Пет + + + - Среднеустой-чивая

0,2-0,5 до 10 Крупноблочная отдельность + + + - Неустойчивая

0,5 и более до 10 Мелкоблочная отдельность + + - + Неустойчивая

природная 0,1-0,2 до 10 Пет + - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Крупноблочная отдельность + - + - Неустойчивая

0,5-1 н более до 10 Мелкоблочная отдельность + - - + Неустойчивая

Талые породы 0,1-0,2 до 10 Пег - - + - Неустойчивая

0,2-0,5 до 10 Крупноблочная отдельность - - + - Неустойчивая

0,5 н более до 10 Мелкоблочная отдельность - - - + Неустойчивая

Переходная зона от естественного свода к естественному прогибу Постоянная 0,1-0,2 30 -50 Ист - + + - Устойчивая

0,2-0,5 20-30 Крупноблочная отдельность - + + - Среднеустой-чнвая

0,5 н более До 20 Мелкоблочная отдельность - + - + Неустойчивая

На основе комплекса выполненных исследований отработку крутопадающих жил в пределах технологического контура запасов предлагается вести, применяя конструктивно меняющееся расположение буровых штреков по восстанию с учетом изменчивости угла падения жилы (рисунок 8).

6 7

! й а шЧ Ш Е \ Ш !

1 | • ■ ■ 1 1 V . ;

—, Ш Э ЕВ Ш В

т ш ш Е; Ш Ш

1 • ■ I ! . 1 :

ш ш 3 о Е; СЭ Ш !

Рисунок 8 - Схема гибкой системы расположения буровых штреков - поясов крепления:

а - расположение буровых штреков; б - сечение бурового штрека - пояса крепления; в -расположение анкеров и канатных анкеров в поясе крепления. 1 - полевой штрек; 2 - буровой штрек; 3 - откосы днища; 4,9 - технологический контур; 5 - канатный анкер; 6 - анкер; 7 - штрипсы; 8 - скважина малого диаметра

Создается конструкция гибкой системы расположения буровых штреков, выполняющих роль поясов крепления. По восстанию буровые штреки целесообразно располагать через 5-8 м, что вписывается в параметры построения технологического контура и позволяет учесть варьирование угла падения руд-

ного тела. Закрепленные буровые штрека обеспечивают устойчивость пород бортов на время отбойки и выпуска руды из блока. Расчет времени устойчивого стояния вмещающих пород (?ст) на период отбойки и выпуска руды ведется в зависимости от конструктивных параметров гибкой системы расположения буровых штреков блока.

Время стояния (/ст) (по методике А.И.Арсентьева, уточненной нами для условий разработки крутопадающих жил с гибкой системой буровых штреков -поясов крепления) вычисляется по формуле:

где Кэм„ - эмпирический коэффициент; hp - глубина разрушающегося слоя пород, м; у - плотность пород, Мн/м3; L3 - величина эквивалентного пролета камеры, м; п - количество поясов крепления.

По данным исследований, для условий Зун-Холбинского месторождения нами установлен Кэл,„ = 150, при котором наблюдается устойчивое состояние очистных камер.

На основе результатов математического моделирования по программе О.В. Зотеева (ИГД Уро РАН) установлено, что на стенках камер отмечается зона растягивающих напряжений (рисунок 9), которую необходимо крепить.

{ •r - -4v ~ Mi / V

\ г 4%

\ / '/// /?/ i/

/ f J -¿h ш v / / ¡¡is

/ г /> l<

rj......... / /* /I/, >

м /// / /;; 7/ ^ /// /

/У/у А/

и/ nU' V /

• ./с

Рисунок 9 - Положение зон растягивающих напряжений (МПа) около очистной камеры мощностью отработанной жилы 3 м на глубине 600 м

Глубина разрушающегося слоя Ир принимается по установленным зависимостям пространственного положения растягивающих напряжений в бортах камер на различной глубине разработки, которая подтверждена натурными наблюдениями за процессом отслоения пород во времени по анкерам - маячкам.

По данным моделирования установлена зависимость глубины разрушения Ир от мощности рудных тел и глубины горных работ (рисунок 10).

Рисунок 10 - Графики зависимости глубины разрушающегося слоя Ир от глубины разработки Н, м:

1, 2, 3 — при мощности рудного тела соответственно 3, 10, 15 м

Значение эквивалентного пролета камеры вычисляется по формуле В.Д. Слеса-рева:

К-К

L =

(5)

где 1К— ширина камеры по простиранию жилы, м; У]. - высота камеры, м.

Математическое моделирование показало, что при уменьшении ширины камеры снижаются параметры допустимых напряжений, при этом натурные исследования установили повышение устойчивости обнажений пород кровли. На основе формулы (4) составлены номограммы определения времени устойчивого состояния камер с учетом параметров закрепляемых участков (поясов крепления) (рисунок 11).

Расчеты параметров крепления производятся по формулам ВНИМИ и ИрГТУ, уточненных для условий исследованных месторождений: К =■ T-R; Т = P-sin/?; R = P-cosj3-tgp;

Р =

CtgflT

■У-

tg/3 tga

N = К ■ sin[l 80° - (a + /?)];

(6)

Pp = Oy (wdcm )/4\

N-k

где К - сила, развиваемая слоем разрушающихся пород, Н; Т - сдвигающая сила, Н; Я - сила трения на поверхности ослабления, Н; N - нагрузка, действующая по нормали к очистной камере, Н; Р - вес слоя разрушающихся пород, Н; /? - угол сдвижения, град.; р - угол внутреннего трения пород, град; аобр - ширина слоя разрушающихся пород, м; а - угол падения рудного тела, град; Рр - прочность анкера на разрыв, МН; <ту - предел тягучести стержня арматурной стали, МПа; с!ст — диаметр стержня арматурной стали, м.; 1к - расстояние между анкерами при квадратной сетке их расположения, м; ки — коэффициент, учитывающий неравномерность призмы обрушения, равный 5; к3 — коэффициент запаса, равный 1,2-1,5.

Рисунок 11 - Графики зависимости времени (гс„^ устойчивого состояния очистной камеры от глубины разрушающегося слоя пород (Ир) при четырех поясах крепления:

1, 2, 3, 4 - соответственно, при длине блока 15 м, 20 м, 25 м, 30 м

Пояс крепления представляет собой прошитые вмещающие породы в бортах бурового штрека анкерной крепью на глубину 1,5-2 м. Прошитый слой притягивается через штрипсы канатными анкерами к нетронутому массиву на 3-5 м (см. рисунок 8), закрепляя всю глубину приконтурной области разрушения массива. Исходя из выше обоснованных параметров, возможно в сложных условиях геологической среды применить геотехнологию отработки запасов с подэтажей - поясов крепления в выделенном технологическом контуре запасов. Подэтажная система такой конструкции универсальна в части применения оборудования и подготовки днищ выпуска руды. Предлагаемая технология при выемке запасов в сложных условиях геологической среды позволяет осуществить кратковременный перевод вмещающих пород из неустойчивого состояния в устойчивое. В этом случае производство горных работ будет более безопасно. Повышение уровня безопасности работ заключается в том, что все работы в неустойчивом массиве производятся из закрепленных выработок. Производствен-

ные испытания представленной геотехнологии с обоснованием ее параметров по предложенной автором методике и конструкции гибкой системы расположения буровых штреков - поясов крепления прошли на руднике «Холбинский» и показали, что применение такой геотехнологии позволило увеличить производительность горнорабочего очистного забоя до 12 м3 в смену (в 3 и более раза по сравнению с достигнутой по руднику). Потери руды снижены в два раза.

При расчете параметров, определение коэффициента запаса прочности для целиков и кровли камер осуществляется на основе известных выражений:

К, Кз=(7)

где Кдл - коэффициент длительной прочности; Кф - коэффициент, учитывающий геометрические размеры целика (коэффициент Церна); Кс - определяется из выражения (2).

Коэффициент запаса прочности в целиках многолетнемерзлых пород значительно меньше, чем в переходных зонах и талых породах. Например, для условий Ирокиндинского месторождения при времени отработки два года величина К3 в мерзлых породах составляет 1,3, в сезонно-переходной зоне 1,7, в природно-переходной зоне 1,9, в талых породах 2,2, а при сроке 10 лет рост коэффициента К3 будет соответственно в два раза выше (рисунок 12).

На основании изложенного обоснован вывод о целесообразности уменьшения срока отработки блока. В этом случае можно оставлять целики минимальных размеров при значительных обнажениях кровли, при этом допустимые напряжения в целиках и кровле определяем из выражения:

а0"

адоп ~ К < (8)

где - предел прочности на сжатие, МПа.

а б

Рисунок 12 - Графики изменения коэффициента запаса прочности К3 от времени отработки блоков / в породах крепости/= 10:

а —в целиках; б —в кровле. 1, 2, 3, 4 - для условий, соответственно в постоянной зоне многолетнемерзлых пород, в сезонно-переходной зоне, в природно-переходной зоне, талых породах

С увеличением срока отработки блоков, как в многолетнемерзлых, так и в талых породах, допустимые напряжения в целиках резко снижаются и, следовательно, возникает необходимость увеличения размеров целиков (рисунок 13).

Рисунок 13 - Графики изменения допустимых напряжений от времени отработки блоков:

а—вцеяиках; б—вкровлекамер. 1,2, Д 4—дтяустовийссютветственновгюстаян№Л1нога1етна\1ерзльгс породах, всезонно-переходнойзоне, впр1родш>щ)еходнойзоне,таль1хгюродах

В постоянно многолетнемерзлых породах допустимые напряжения в кровле значительно выше, чем в переходных зонах и талых породах. С увеличением сроков отработки блоков в кровле камер допустимые напряжения также сни-

жаются. При оттайке мерзлоты устойчивость кровли уменьшается в 2,4 раза. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что при времени отработки блока до двух лет сохраняется более устойчивое состояние вмещающих пород.

Данные расчетов напряжений хорошо согласуются с результатами математического моделирования напряжений по методике ИГД СО РАН по программе ЕЬА8Т-2 (рисунок 14).

70 1,и

70, U

а б в

Рисунок 14 - Зависимости изменения напряжений от длины камеры на глубине 200 м:

а-на стенке откаточного штрека; б —в подштрековом целике; в —в кровле очистной камеры. 1,2 — соответственно в постоянной зоне многолетнемерзлых пород и в сезонно-переходной зоне

Допустимый пролет обнажения кровли на основе методики В.Д. Слесарева составит:

CFnxhxK„

(9)

где Ор — предел прочности пород на растяжение в образце, МПа; h — высота непосредственной кровли, м; Кс — коэффициент структурного ослабления; у — плотность горных пород, МН/м3.

Расчеты показывают, что при мерзлых породах величина L = 73,2 м, в переходных зонах - 58,2 м, в талых - 43,3 м. Шаг обрушения кровли, рассчитанный на основе методики Н.З. Галаева (10), для условий Ирокиндинского месторождения при Н= 100-300 м составляет 65 м и близок по значению с расчетами по методике В.Д. Слесарева.

[о,5х(Я-X)2 хухtg2От/4-ср!2)]хsin2 соxtg<p+См хЯ

(10)

уН xsmoJ{smo)-cQso)xtg(p) '

где Н - глубина горных пород, м.; X — усадка обрушенных пород, м.; у — плотность пород, МН/м3; (р - угол трения пород в массиве, град.; со - угол наклона линии сдвига к горизонтам, град.; См— сцепление пород, МПа.

Следовательно, доказано, что возможна отработка балансовых запасов в пределах одного этажа (до 70 м) без оставления внутриблоковых целиков.

Отработку наклонных золотосодержащих жил целесообразно проводить в технологически выделенных контурах с разделением на зоны работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением (рисунок 15).

А - А

р=-

//// — 2 3__Ч зачистка вакуумной --установкой

// у/ / -

1 - буровой станок на санях; 2 - гидравлическая стойка;

3 - экран (полимерная сетка); 4 - распорная стойка;

5 - дощатый отшив; 6 - отшив скреперной дорожки;

7 - ваккумная установка 8 - сепаратор

9 - скреперная лебедка 30ЛС-2с 10 - скреперная лебедка 10ЛС-2с

Рисунок 15 - Порядок отработки запасов с разделением на зоны:

рабочая, зачистки, локализации пустот

Размеры зон могут меняться в зависимости от параметров блока, угла падения отрабатываемой жилы и расположения балансовых запасов. Ширина зон по простиранию принимается 15-16 м, по восстанию - 25 м. При этом учитывается, что расстояние между блоковыми восстающими 50 м, а перенос скреперных дорожек необходимо осуществлять через 25 м.

В первой зоне осуществляются процессы: буровзрывных работ, скреперной доставки отбитой руды и установки крепи для поддержания кровли очистного пространства. Отбойка жилы производится уступом по простиранию. Такая схема позволяет выполнять буровые работы независимо от процессов доставки руды и зачистки блока. Для предотвращения разброса руды используется заградительный экран из полимерной сетки, навешенной на взрывозащи-щенную гидрокрепь (рисунок 16-а). Во второй зоне (рисунок 16-6), расположенной от заградительного экрана до распорных стоек ограждения отработанного пространства (локализации), происходит вакуумная зачистка рудной мелочи. Работы ведутся в закрепленном пространстве и могут производиться независимо от работ в рабочей зоне.

. Л1?*шя ж Ж

а б

Рисунок 16 —Зоны очистных работ:

а - рабочая с заградительным экраном; б — зона зачистки

Третья зона представляет собой зачищенное от руды локализованное очистное пространство, где все процессы очистной выемки закончены и доступ туда персоналу запрещен. Такое расположение зон производства работ приводит к повышению эффективности процессов очистной выемки за счет возможности независимо вести работы при сокращении времени стояния очистного пространства. Разделение на зоны повышает безопасность работ за счет сокращения площади производства работ в отрабатываемом блоке. Следует отметить, что общая устойчивость очистного пространства обеспечивается в преде-

лах допустимых пролетов обнажений. Поддержание кровли в рабочей зоне и зоне зачистки производится креплением врывозащищенными гидростойками и анкерным креплением. Устойчивость третьей зоны не обеспечивается.

Расчеты и математическое моделирование показали, что обнажения кровли блоков, допускающие превышение предела пролетов 50-100 м, склонны к повышенному процессу вывалообразования зон рассланцевания и обрушению налегающего массива пород обнаженной кровли. Место возможного внезапного вывала можно спрогнозировать по следующим способствующим факторам:

• превышение времени стояния отработанного пространства более расчетного;

• нахождение массива горных пород кровли в знакопеременном температурном режиме (в переходных зонах);

• площадь обнажений более допустимой;

• присутствие тектонических нарушений;

• наличие области прогиба и сочленения синклинали с антиклиналью, являющиеся наиболее слабым местом в сложном строении кровли жильных месторождений;

• присутствие деформации крепления, потрескивание пород;

• сейсмическое влияние от производства взрывных работ;

• по результатам инструментальных измерений наблюдательной станции и маркшейдерским маячкам, регистрирущих деформацию кровли.

Анализируя данные факторы, определяется район вероятного обрушения. В ходе геомониторинга выявилось, что при величине посадки более 5-10 мм в сутки происходит процесс самообрушения. Развитие этого процесса регулируется подрывом оставшегося крепления или зарядов в кровле (рисунок 17). Разработанный способ управления горным давлением в условиях многолетней мерзлоты позволяет повысить уровень промышленной безопасности работ за счет исключения накопления больших объемов пустот и предотвратиь катастрофические обрушения пород на больших площадях.

Рисунок 17 - Место прогнозируемого обрушения кровли

Предлагаемая подземная геотехнология прошла промышленные испытания в условиях рудника «Ирокинда». Ее применение обеспечило повышение производительности труда в 1,5-2,0 раза. Улучшены условия труда, повышена безопасность работ. Значительно сокращены потери полезного ископаемого при добыче с 12 % проектных до 1-3 % фактических и снижено разубоживание на 4 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет законченную научно-квалификационную работу, в которой в результате теоретических и экспериментальных исследований, опытно-промышленных испытаний решена крупная научная проблема повышения эффективности геотехнологии подземной разработки золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды, обоснованы ее конструктивные параметры и предложены технологические решения, позволяющие создать более безопасные условия для эффективной разработки эксплуатационных запасов в суровых климатических условиях труднодоступных месторождений Сибири и Северо-Востока, составляющих основную часть запасов золота в недрах России.

Научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен новый комплексный подход к геолого-информационному обеспечению подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений, с учетом свойства фрактальности геологической среды и криолитозоны.

2. На основе выявленных закономерностей дискретного распределения металла в пространстве научно обоснована методика технологического оконтури-вания рудных тел на стадии эксплуатации, обеспечивающая снижение потерь руды в недрах. Применение методики технологического оконтуривания эксплуатационных запасов успешно апробировано в условиях Зун-Холбинского месторождения и рекомендовано Ростехнадзором РФ РБ и НТС Роснедра РБ к применению.

3. На основе многолетних натурных наблюдений и измерений за поведением обнажений в массиве вечномерзлых пород и отбитой руды установлены зависимости изменения температурного состояния многолетнемерзлого массива горных пород шахтного поля от сезона года и глубины разработки и его влияния на геомеханические свойства руд и вмещающих пород, а также качественно-количественные показатели добычи руды. Выполнено районирование массива горных пород криолитозоны рудника «Ирокинда», ГОКа «Коневинское» на зоны: сезонная, сезонно-переходная, постоянная, природно-переходная и техногенная. Установлено влияние знакопеременного температурного режима на устойчивость массива горных пород криолитозоны указанных месторождений через коэффициент структурного ослабления и замерены природные напряжения в районированных зонах. Разработаны методические указания по расчету устойчивых целиков и пролетов обнажений очистных и проходческих выработок. Обоснованы методы управления горным давлением в данных зонах. Разработана технология вакуумной зачистки рудной мелочи с применением ан-тисмерзающих реагентов, которая внедрена в производство на руднике «Ирокинда», что позволило снизить потери руды на почве блока в 7 раз, механизировать трудоемкий процесс зачистки и создать более комфортные условия труда горнорабочего очистного забоя.

4. Исходя из закономерности фрактального распределения в пространстве трещиноватости и разрывной тектоники для условий Зун-Холбинского месторождения, разработана методика прогноза геомеханического состояния и выявления высоконапряженных зон горного массива, применение которой позволяет выполнить более достоверный прогноз устойчивости массива горных пород и обоснование параметров геотехнологии. Методика апробирована и внедрена на руднике Холбинский и рекомендована к применению

5. Установлены критерии оценки устойчивости массива с учетом температурного режима, рельефа кровли, прочностных свойств пород, их тектонической нарушенное™ и фактора времени. Разработаны классификации устойчивости горных пород, учитывающие горно-геологические особенности крутопадающих, наклонных золоторудных жил.

6. Предложен комплексный метод управления геомеханическими процессами в криолитозоне при отработке наклонных жил с учётом последовательности выемки эксплуатационных запасов, целиков и погашения выработанного пространства. Разработана технология отработки наклонных золотосодержащих жил в технологически выделенных контурах с разделением на зоны производства работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением. При обосновании параметров такой геотехнологии учтены свойства фрактальности геологической среды, время стояния кровли, ее рельеф, температурный фактор. Данная геотехнология внедрена на руднике «Ирокинда», является основной при добыче руды и позволила снизить потери металла в недрах в 4 раза по сравнению с проектными 12%.

7. На основе выявленной зависимости времени устойчивого стояния очистной камеры от количества поясов крепления и глубины закрепляемого слоя пород при различных сечениях очистного забоя обоснована и создана для отработки крутопадающих жил конструкция гибкой системы расположения поясов крепления - буровых штреков и методика подбора сечения очистной выработки, позволяющие на время отработки запасов создать благоприятные условия для применения высокопроизводительной геотехнологии в сложных условиях геологической среды. Разработаны указания по определению конструктивных параметров систем разработки на руднике «Холбинский» ОАО «Бурятзолото», ГОК «Коневинское» ООО «Хужир Энтерпрайз». С учетом этого предложена геотехнология отработки запасов крутопадающих жил в сложных условиях геологической среды с применением конструкции гибкой системы расположения поясов крепления - буровых штреков, которая прошла промышленные испытания и внедряется на руднике «Холбинский», ГОК «Коневинское».

8. Обоснованы методы поддержания очистного пространства при разработке крутопадающих и наклонных жил и установлены области применения крепления очистного пространства гидравлическими взрывозащищенными стойками многоразового применения и различными видами анкерного и канат-но-анкерного крепления с минеральным и полимерным наполнителями при подземной разработке жильных золоторудных месторождений. Созданы мето-

дики расчёта параметров крепления бортов очистных камер с учётом их напряжённо* деформированного состояния и времени стояния, необходимого для отбойки и выпуска руды.

9. Результаты исследований реализованы на Зун-Холбинском, Ирокиндин-ском месторождениях. Экономический эффект от внедрения результатов работы за 2006-10 годы составил 261,8 млн руб.

10. Разработаны методические и нормативные документы по управлению геомеханическими процессами для практического применения на ОАО «Бурят-золото», Ново-Широкинский, ЗК Майское, ГОК Коневинское, а также проектными организациями.

11. Основные результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов горного профиля ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Исследование по данной теме целесообразно расширить на все жильные месторождения, залегающие в сложных условиях геологической среды и на базе комплексного подхода к геолого-информационному обеспечению провести классификацию методик по обоснованию конструктивных параметров систем разработки подземной геотехнологии.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Павлов, A.M. Определение удельного веса использования опорных целиков при отработке рудных жил Ирокиндинского месторождения / А.И. Ляхов, Ю.Б. Хорохонов, C.B. Хышиктуев, А.Н. Николаев, A.M. Павлов и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2004. -№ 2 - С. 29-31.

2. Павлов, A.M. Сотрудничество Бурятского Управления по технологическому и экологическому надзору и ОАО «Бурятзолото» в деле обеспечения промышленной безопасности / C.B. Хышиктуев, В.И. Хайзик, A.M. Павлов // Горный журнал. - 2004. - № 11. - С. 75-77.

3. Павлов, A.M. Управление геомеханическими процессами при разработке наклонных жил в условиях многолетней мерзлоты / Л.И. Сосновский, A.M. Павлов, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская, А.Н. Авдеев, Л.Г. Рубцов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2006. — № 11.-С. 77-83.

4. Павлов, A.M. Эффективная технология подземной разработки золоторудных жил малой мощности наклонного залегания (на примере Ирокиндинского месторождения)/ A.M. Павлов // Вестник ИрГТУ. - 2006. - № 2. - С. 20-21.

5. Павлов, A.M. Управление горным давлением в криолитозоне при отработке наклонных маломощных жил на примере Ирокиндинского месторождения / A.M. Павлов, Ю.М. Семенов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2007. - № 11. - С. 30-34.

6. Павлов, A.M. Применение вакуумной технологии при зачистке руды в условиях криолитозоны рудника «Ирокинда» / A.M. Павлов, Ю.М. Семенов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-тво МГТУ, 2007.-№ И.-С. 24-29.

7. Павлов, A.M. Совершенствование технологии подземной разработки золотосодержащих наклонных жил малой мощности в условиях рудника «Ирокинда»/ A.M. Павлов // Горный журнал. - 2008. - № 4 - С. 73-75.

8. Павлов, A.M. Определение параметров устойчивых целиков и обнажений камер при разработке наклонных жил в криогенных зонах в условиях Ирокиндинского золоторудного месторождения/ A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2008. -№ 5 - С. 142-148.

9. Павлов, A.M. Геомеханическое обоснование перехода от селективной к валовой выемке сближенных рудных тел на Зун-Холбинском месторождении / A.M. Павлов, Е.А. Мильшин, Л.И. Сосновский // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2008. - № 5. - С. 136-141.

10. Павлов, A.M. Параметры погашения очистного пространства способом самообрушения кровли при отработке наклонных жил золоторудных месторождений / A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2009. - № 4. - С. 42-48.

11. Павлов, A.M. Параметры геотехнологии отработки крутопадающих жил в условиях крайне неравномерного распределения запасов металла в недрах на больших глубинах Зун-Холбинского золоторудного месторождения / A.M. Павлов, Е.А. Мильшин, Е.Л. Сосновская, О.В. Зотеев, Л.И. Сосновский, В.А. Филонюк // Горный информационно-аналитический бюллетень. — М: Изд-во МГТУ, 2009. - № 5. - С. 22-27.

12. Павлов, А.М.Обоснование видов крепи горных выработок по выявленным закономерностям формирования тектонических структур / A.M. Павлов, Е.Л. Сосновская, В.Е. Боликов, В.А. Вицинский, Л.И. Сосновский, Л.Г. Рубцов //

Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2009.-№ 5.-С. 15-21.

13. Павлов, A.M. Геометризация промышленных рудных тел и определение показателей качества отработки запасов в условиях закономерно-прерывистого распределения металла на Зун-Холбинском золоторудном месторождении /

A.M. Павлов, Е.А. Мильшин, В.А. Филонюк // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2008. - № 12. - С. 90-105.

14. Павлов, A.M. Геометрические модели естественного напряженного состояния массива горных пород золоторудных месторождений / A.M. Павлов,

B.А. Филонюк, E.JI. Сосновская, Л.И. Сосновский // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2010 - № 5. - С. 41-45.

15. Павлов, A.M. Обоснование параметров подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений на основе выявления и использования свойств фрактальности геологической среды /A.M. Павлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2011. - № 4. - С. 106-112.

16. Павлов, A.M. Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных и пологих жил золоторудных месторождений в криолитозоне с учетом выявленных свойств геологической среды /A.M. Павлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2011. - № 5. - С. 29-39.

17. Павлов, A.M. Фрактальные свойства геологической среды как показатель сложности условий эксплуатации золоторудных месторождений / A.M. Павлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГТУ, 2011. -№ 6. - С. 60-66.

18. Павлов, A.M. Исследования криолитозоны и ее влияния на геомеханическое состояние массива горных пород при подземной разработки золоторудных месторождений Бурятии /A.M. Павлов // Известия СО секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2012. - выпуск № 1 (40).- С. 53-60.

19. Павлов, A.M. Обоснование параметров геотехнологий выемки целиков крутопадающих жильных месторождений / A.M. Павлов, Е.Л. Сосновская // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2013. - № 3. - С. 15-19.

б) в монографии:

20. Павлов, A.M. Совершенствование технологии подземной разработки жильных месторождений золота: монография / A.M. Павлов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. - 128 с.

в) в прочих изданиях:

21. Павлов, A.M. Методика нормирования удельного веса опорных целиков для рудника «Ирокинда» / А.И. Ляхов, Ю.Б. Хорохонов, A.M. Павлов // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, выпуск третий. ИрГТУ, 2003.-С. 67-73.

22. Павлов, A.M. Технология выемки опорных целиков, оставляемых при отработке наклоннозалегающих жил Ирокиндинского месторождения / А.И. Ляхов, Ю.Б. Хорохонов, A.M. Павлов // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, выпуск четвертый. ИрГТУ, 2004. - С. 138-141.

23. Павлов, A.M. Внедрение в производство новых технологий при ведении горных работ на предприятиях ОАО «Бурятзолото»/ A.M. Павлов, В.А. Вицин-ский, Н.И. Савенков // Материалы региональной научно-практической конференции. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета, 2004. - С. 24—29.

24. Павлов, A.M. Совершенствование подземной разработки золотосодержащих наклонных жил малой мощности в условиях рудника «Ирокинда» / A.M. Павлов // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, выпуск шестой. ИрГТУ, 2006. - С. 91-97.

25.Павлов, A.M. Полнота и качество извлечения руды и металла при стадийной отработке маломощных пологозалегающих золотокварцевых жил на руднике «Ирокинда» / A.M. Павлов, В.А. Филонюк, Е.Л. Сосновская // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, выпуск шестой. ИрГТУ, 2006. - С. 97-107.

26. Павлов, A.M. Управление горным давлением в многолетнемерзлых массивах при подземной разработке наклонных жил малой мощности Ирокиндинского золоторудного месторождения / A.M. Павлов, Ю.М. Семенов, Л.И. Сосновский // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды научной конференции с участием иностранных ученых. - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2008. - С. 477-481.

27. Павлов, A.M. Причины систематического неподтверждения оценок качества руды по данным эксплоопробования на Зун-Холбинском руднике и обоснование методики достоверного определения среднего содержания золота в руде при планировании добычи / В.А. Филонюк, A.M. Павлов, Е.А. Миль-шин, Е.Л. Сосновская, Л.И. Сосновский // Информационно-рекламный бюллетень Золотодобыча № 120, 2008, Иркутск: Иргиредмет. - С. 19-23.

28. Павлов, A.M. Исследование полноты и качества извлечения металла на очистных работах рудника «Холбинский» / A.M. Павлов, Е.А. Мильшин //

Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, выпуск девятый. ИрГТУ. - 2009. - С. 249-253.

29. Павлов, A.M. Подземные геотехнологии тонких и маломощных жил в сложных горно-геологических условиях [эл. ресурс] / A.M. Павлов, Л.И. Соснов-ский, Ю.М. Семенов, Е.А. Мильшин // «Инновационное развитие горнометаллургической отрасли»: материалы Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

30. Павлов, A.M. Повышение полноты и качества извлечения полезного ископаемого на месторождениях жильного типа с прерывистым оруденением (на основе теоретических инноваций в геоинформационном обеспечении геотехнологий) [эл. ресурс] / Е.А. Мильшин, A.M. Павлов, В.А. Филонюк // «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

31. Павлов, A.M. Теоретические инновации в сфере современного геолого-информационного обеспечения геотехнологий [эл. ресурс] / В.А. Филонюк, E.JI. Сосновская, Л.И. Сосновский, A.M. Павлов // «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи [эл. ресурс].— Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

32. Pavlov, Alexander М. Controllable roof rocks selfcollapse of used purification space (Irokindinsk deposit being considered as an example)/ Alexander M. Pavlov// The 8th International Forum for Strategic Technology 2013. Proceedings IFOST 2013. Ulaanbaatar, Mongolia: Mongolian University of Science and Technology, 2013.-P. 574-575.

Подписано в печать 17.09.2013. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 3,0. Тираж 100 экз. Зак. 122. Поз. плана Юн.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Павлов, Александр Митрофанович, Иркутск

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

05201351852

Павлов Александр Митрофанович

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая, строительная)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: Сосновский Леонид Иннокентьевич,

доктор технических наук; Филонюк Виталий Андреевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Иркутск-2013

На правах рукописи

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................7

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ЖИЛЬНЫХ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 17

1.1 Обобщение мирового и отечественного опыта подземной разработки жильных золоторудных месторождений и их особенности в районах Сибири и Северо-Востока России.................................... 17

1.2 Обзор исследований в области подземной геотехнологии золоторудных месторождений жильного типа и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках........................ 28

1.3 Анализ изученности поведения горного массива в криолитозо-

не при подземной разработке жильных месторождений..............................39

1.4 Состояние геоинформационного обеспечения подземных геотехнологий золоторудных жильных месторождений............................................43

1.5 Цель и задачи исследований....................................................................................46

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОКОНТУРИВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РУД И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОТЕРЬ И РАЗУБО-ЖИВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ ПРЕРЫВИСТОСТИ (ФРАКТАЛЬНОСТИ) ДЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗОЛОТА................................................................ 48

2.1 Закономерности распределения золота их влияние на достоверность определения содержания металла добываемой руде............ 48

2.2 Обоснование технологии оконтуривания промышленных руд на основе использования свойства фрактальности распределения золота в геологической среде.......................................................... 61

Выводы................................................................................................................................................80

3 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ИЗ НЕДР В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ........................................81

3.1 Районирование массива горных пород в зависимости от влияния знакопеременного температурного режима на шахтное поле в криолитозоне..............................................................................................................................................81

3.2 Влияние криолитозоны на геомеханическое состояние массива горных пород........................................................................ 95

3.3 Влияние криолитозоны на эффективность извлечения металла из недр......................................................................... 101

Выводы.......................................................................... 115

4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД... 117

4.1 Геологические характеристики месторождений.................... 117

4.2 Физико-механические свойства горных пород и руд.............. 120

4.3 Природные напряжения массивов горных пород................... 125

4.3.1 Качественная оценка природных напряжений.................... 125

4.3.2 Количественная характеристика природных напряжений..... 136

4.4 Обоснование системы комплексной оценки устойчивости горных пород и руд жильных месторождений...................................... 149

4.4.1 Комплексная оценка устойчивости горных пород и руд крутопадающих жильных месторождений.......................................... 149

4.4.2 Комплексная оценка устойчивости горных пород и руд наклонных жильных месторождений................................................ 158

Выводы............................................................................ 171

5 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ КРУТОПАДАЮЩИХ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ............ 173

5.1 Применяемые геотехнологии отработки крутопадающих золоторудных жильных тел в сложных условиях геологической среды...... 173

5.2 Подход к изучению сложной геологической среды, как основы для инженерных расчетов и моделирования оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива.................................. 176

5.3 Методики исследования по обоснованию конструктивных параметров геотехнологии в сложной геологической среде.................... 178

5.3.1 Методика расчета напряжений в целиках и обнажениях камер очистного пространства....................................................................................................................................178

5.3.2 Методика математического моделирования....................... 181

5.4 Обоснование параметров и совершенствование геотехнологии отработки крутопадающих золоторудных жильных тел в сложных условиях геологической среды........................................................ 183

Выводы............................................................................ 202

6 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ НАКЛОННЫХ ЖИЛЬНЫХ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ........................................................................................ 204

6.1 Направления совершенствования существующей геотехнологии отработки наклонных золоторудных тел................................... 204

6.2 Методики исследования по обоснованию конструктивных параметров наклонных и пологих рудных тел в сложной геологической среде.................................................................................... 209

6.2.1 Методика расчета напряжений в целиках и обнажениях кровли блока............................................................................... 209

6.2.2 Методика математического моделирования....................... 212

6.3 Методика обоснования конструктивных параметров систем разработки наклонных золоторудных тел........................................................................217

6.4 Совершенствование геотехнологии наклонных жильных

золоторудных тел..............................................................................................................................238

Выводы..........................................................................................................................................253

7 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ 255 РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................

7.1 Опытно-промышленные испытания методики технологического оконтуривания на руднике «Холбинский»............................................................255

7.2 Опытно-промышленные испытания отработки крутопадающих жил технологией создания гибкой системы расположения поясов крепления - буровых штреков в технологическом контуре запасов на руднике «Холбинский»..........................................................................................................................256

7.3 Внедрение геотехнологии отработки наклонных золотосодержащих жил в технологически выделенных контурах с разделением на зоны (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением........................................................................260

7.4 Внедрение в производство гибкой системы расположения буровых штреков при отработке тонких жил Коневинского месторождения ..................................................................................................................................................................263

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................264

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................268

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................290

Приложение А. Журнал замера температур................................................290

Приложение Б. Параметры структурной организации поля..........292

Приложение В. Сводка горного давления на шахте Зун-

Холбинская..............................................................................................................................................292

Приложение Г. Акт опытно-промышленных испытаний блока

1290-С2 в выделенном технологическом контуре запасов..........................301

Приложение Д. Акт обследования блока 1565В-С2 после отбойки и выпуска руды.......................................................................... 303

Приложение К. Акт внедрения рекомендаций исследования по обоснованию параметров подземной геотехнологии на рудниках ОАО

«БУРЯТЗОЛОТО» ................................................................... 305

Приложение Л. Акт внедрения рекомендаций исследований по управлению геомеханическими процессами при отработке наклонных

жил....................................................................................... 307

Приложение М. Акт внедрения технологии подземной разработки

золоторудных жил на руднике «Ирокинда»..................................... 310

Приложение Н. Акт на внедрение в проектные работы, выполняемые в ОАО «ИРГИРЕДМЕТ»...................................................... 313

Приложение П. Акт на внедрение в учебный процесс рекомендаций диссертации................................................................ 316

Приложение Р. Акт внедрения эффективной подземной геотехнологии на ГОК «КОНЕВИНСКОЕ»........................................................ 317

ВВЕДЕНИЕ

Россия по запасам золота занимает третье место в мире. До 75% этих запасов находятся в месторождениях Сибири и Северо-Востока. В условиях мировой тенденции роста цены на золото и его потребления возникает необходимость в увеличении объема его производства. Объем рудного золота в общей добыче России составляет 70%, примерно 38% золотосодержащей руды добываются из жильных месторождений подземным способом. Значительная часть бюджета пополняется за счет золотодобычи и для нашей страны важно, чтобы себестоимость добываемого золота была конкурентоспособной на мировом рынке.

Золоторудные тела жильных месторождений имеют ряд особенностей. Они не выдержаны по мощности и углам залегания. Характеризуются сложным геологическим строением и наличием развитой тектонической нарушенности горных пород, различным состоянием устойчивости рудных тел и вмещающих пород. Балансовые запасы в недрах расположены крайне неравномерно с дискретным распределением металла.

Две трети золоторудных месторождений Сибири и Северо-Востока России залегают в условиях многолетней мерзлоты [33, 64]. Криогенное состояние массива горных пород оказывает значительное влияние на состояние устойчивости руд и вмещающих пород при отработке балансовых запасов. Существующий знакопеременный температурный режим при их отработке снижает устойчивость вмещающих пород и, как следствие, приводит к повышенным потерям руды, росту трудоемкости и повышению опасности работ. Поэтому для обоснования оптимальных параметров систем разработки подземной геотехнологии необходимо учитывать свойства криолитозоны, что требует более глубокого изучения многофакторного влияния многолетней мерзлоты на процессы горных работ.

При разработке золоторудных месторождений, особенно на больших глубинах, отмечаются проявления горного давления, что значительно снижает безопасность и эффективность ведения горных работ.

Разработка жильных золоторудных тел в сложных условиях геологической

среды производится трудоемкими и высокозатратными системами разработки, допускающими потери металла до 20% и повышенное разубоживание [154]. Имеет место выборочная отработка балансовых запасов месторождений с оставлением руд с невысоким содержанием металла, что в целом приводит к снижению рентабельности разработки золоторудных месторождений, особенно находящихся в суровых природно-климатических условиях с неразвитой инфраструктурой [153].

Геологическое строение золоторудных месторождений очень изменчиво и характеризуется свойством фрактальности (системной дискретности). Существующие методы определения параметров геотехнологии не в полной мере учитывают прерывистость элементов геологической среды и базируются на основе, построенной на непрерывных моделях рудоносности и напряженности горных массивов. При определении параметров целиков и обнажений кровли и боков очистного пространства не достаточно учитывается изменение их устойчивости во времени. Без научно-обоснованного учета фрактальной изменчивости геологической среды и устойчивости конструктивных элементов систем разработки во времени в условиях знакопеременного температурного состояния горного массива невозможно выявить реальные условия подземной разработки золотосодержащих жил.

В связи с этим проблема повышения эффективности разработки жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды является весьма актуальной.

Степень разработанности. В основе геолого-информационного обеспечения проведенных исследований использованы последние достижения нового направления в сфере наук о Земле, которые базируются на концепции самоорганизации в развитии геологической среды. Первые результаты этих исследований в области геологии рудных месторождений опубликованы в работах Г.Л. Поспелова, В.А. Нарсеева, В.А. Филонюка, Ф.А. Летникова, их учеников и последователей. В горном деле это направление также нашло свое развитие главным образом при изучении геомеханического состояния горных массивов и в литературе обрело статус «нелинейной геомеханики». Наибольший вклад в становление и разви-

тие данного направления внесли следующие ученые: Курленя М.В., Опарин В.Н., Иофис М.А., Батугина И.М., Рассказов И.Ю., Влох Н.П., Зубков A.B., Сашурин

A.Д., Хачай O.A., Сосновский Л.И. и другие.

Научные основы подземной геотехнологии разработки месторождений в криолитозоне освещены в работах известных российских ученых В.П. Бакакина, Е.Т. Воронова, С.Г. Гендлера, Ю.Д. Дядькина, В.И. Емельянова, А.А Зильбер-борда, В.П. Зубкова, В.Ю. Изаксона, К.Н. Костромитинова, A.C. Курилко, Ю.В. Михайлова, Г.П. Необутова, М.Д. Новопашина, Ю.А. Хохолова, В.А. Шерстова, П.Д. Чабана и других.

B.Д, Томилов, A.M. Фрейдин и многие другие.

Цель работы - обоснование параметров подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды, обеспечивающей эффективность и безопасность добычи руды из недр.

ных пород криолитозоны, как ключевых факторов для обоснования параметров подземной геотехнологии.

Задачи исследований:

1. Анализ существующих геотехнологий подземной разработки жильных золоторудных месторождений.

6.Опытно-промышленные испытания, внедрение результатов исследований и оценка их эффективности.

Научная новизна диссертации:

1 .Предложен новый комплексный подход к оценке состояния геологической среды для геолого-информационного обеспечения геотехнологий, основанный на использовании свойств ее фрактальности с учетом криолитозоны и принципов построения подземной геотехнологии разработки золоторудных жильных месторождений в сложных условиях.

2.Выявлены закономерности дискретного распределения металла в золоторудных телах месторождений и на их основе научно обоснована методика технологического оконтуривания рудных тел на стадии эксплуатации, повышающая достоверность и эффективность подсчета запасов в блоке.

3.Для ряда золоторудных месторождений Восточной Сибири выявлены закономерности изменения температурного состояния многолетнемерзлого массива горных пород шахтного поля в зависимости от сезона года и глубины разработки, установлено их влияние на геомеханические свойства руд и вмещающих пород, а также качественно-количественные показат

Информация о работе

Павлов, Александр Митрофанович
доктора технических наук
Иркутск, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы