Прогнозирование изменения инженерно-геологических условий при ведении очистных работ на Яковлевском руднике

Феллер, Екатерина Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Прогнозирование изменения инженерно-геологических условий при ведении очистных работ на Яковлевском руднике
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование изменения инженерно-геологических условий при ведении очистных работ на Яковлевском руднике"

На правах рукописи

ФЕЛЛЕР ЕКАТЕРИНА НИКОЛАЕВНА

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-

ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ (ЯКОВЛЕВСКОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД, КМА)

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2014

005554453

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

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дашко Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты:

Гуман Ольга Михайловна доктор геолого-минералогических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», кафедра Гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии профессор.

Тимченко Анна Андреевна кандидат геолого-минералогических наук,

ООО «ГорноХимический инжиниринг» - проектно-исследовательский комплекс группы «ФосАгро», руководитель отдела геологии и экологии.

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Защита диссертации состоится 26 сентября 2014 г. в 15.00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте mvw.spmi.ru.

Автореферат разослан 14 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ШИДЛОВСКАЯ

диссертационного совета Анна Валерьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Яковлевское месторождение КМА Белгородского железорудного района относится к крупнейшему по разведанным запасам (9,6 млрд.т.) высококачественных руд с содержанием железа более 60 %. Сравнительный анализ инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей железорудных месторождений в химических корах выветривания допалеозойского периода: Криворожского бассейна (Украина), провинции Хамерсли (Автралия), района Ноамунди (Индия), района Минас-Жерайс (Бразилия) и месторождения Нимба (Африка) дал возможность установить уникальность условий разработки Яковлевского месторождения, которая ведется на глубинах более 600 м под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами, в условиях дренажа только рудного тела.

Изучением инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей Яковлевского месторождения, которое началось еще в 50-х гг. XX в., занимались С.И. Чайкин, A.A. Саар, А.Н. Цибизов, С.П. Бабушкин, С.П. Прохоров, Г.Г. Скворцов, В.А. Мироненко, И.П. Иванов и др.

Ведение горных работ на Яковлевском месторождении в сложных условиях должно обеспечивать их эффективность и безопасность, в том числе, предупреждение прорывов подземных вод и загрязнения водоносных горизонтов в разрезе Яковлевского рудника, поскольку часть дренируемых подземных вод рекомендована к использованию в качестве лечебных минеральных вод трех типов, а также учитывать экологические вопросы, связанные с сохранением черноземных почв.

Разработка Яковлевского месторождения ведется с применением комбинированной системы в нисходящем порядке с селективным извлечением богатых железных руд (БЖР) и полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. За 2013 г. на Яковлевском руднике было извлечено более 1 млн.т. руды. В дальнейшем планируется рост добычи БЖР до 2 млн.т. и в 2016 г. -4,5 млн.т.

выработках, прогнозирование которых служит основой для повышения безопасности ведения горных работ.

B.Д. Ломтадзе, Н.В. Мельникова, В.А. Мироненко, М.Е. Певзнера,

C.П. Прохорова, К.В. Руппенейта, В.Л. Свержевского, Г.Г. Скворцова, Б.В. Смирнова, Г.Л. Фисенко, В.В. Фромма и др. ученых.

Цель работы. Прогнозирование формирования и развития природно-техногенных процессов для повышения безопасности ведения горных работ в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях Яковлевского рудника под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами.

Основные задачи исследований

1. Совершенствование научно-практических положений прогнозирования изменения инженерно-геологических условий в подземных выработках Яковлевского рудника.

2. Разработка и совершенствование критериев прогнозирования перехода БЖР и вмещающих их пород в неустойчивое состояние под действием природно-техногенных факторов и увеличения объемов добычи.

3. Систематизация инженерно-геологических процессов Яковлевского рудника с учетом технологии ведения горных работ, в том числе селективного извлечения богатых железных руд с полной закладкой выработанного пространства в условиях неосушенных высоконапорных водоносных горизонтов.

4. Зонирование горизонтов -370 м и -425 м Яковлевского рудника по степени активности формирования инженерно-геологических процессов на основе проведения комплексного мониторинга.

5. Совершенствование системы комплексного мониторинга для повышения безопасности ведения горных работ на Яковлевском руднике.

Фактический материал и личный вклад автора.

университета с 1998 г. Автором работы был выполнен анализ фактических материалов и литературных данных по изучению особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий железорудных месторождений древних кор химического выветривания зарубежных стран и России, в том числе на Яковлевском месторождении БЖР, и прогнозированию изменения таких условий в ходе ведения очистных работ. При непосредственном участии автора были проведены четыре цикла гидрохимического и гидродинамического мониторинга (2009 - 2011 гг.), по результатам которых установлены и выделены зоны различной степени интенсивности перетекания маломинерализованных вод, содержащих Н28, из неосушенного нижнекаменноугольного горизонта с помощью полевых и лабораторных методов определения химического состава воды. В рамках комплексного мониторинга проведена специализированная съемка проявления и активизации природно-техногенных процессов в подземных выработках на горизонте -425 м Яковлевского рудника. Проанализированы материалы по формированию и развитию гравитационных процессов в рудах и породах на горизонте -370 м, где ведутся очистные работы. На основании большого числа фактических данных и результатов комплексного мониторинга определены факторы и предложены критерии, способствующие повышению достоверности прогноза инженерно-геологических процессов в подземных выработках. Впервые выполнена систематизация наблюдаемых и прогнозируемых инженерно-геологических процессов на горизонтах -370 м и -425 м. Проведено зонирование вышеуказанных горизонтов Яковлевского рудника по степени активности формирования инженерно-геологических процессов.

Основные методы исследований. Теоретические, полевые и лабораторные исследования, включающие проведение комплексного инженерно-геологического мониторинга различных природно-техногенных процессов и водопроявлений в горных выработках; экспериментальное изучение состава, состояния и физико-механических свойств железных руд различного типа и их изменения под воздействием слабоминерализованных вод нижнекаменноугольного водоносного горизонта, содержащих сероводород; прогнозирование инженерно-геологических процессов и устойчивости подземных выработок с использованием расчетных методов.

Научная новизна работы.

• Предложены критерии прогнозирования наиболее опасных инженерно-геологических процессов в химических корах выветривания рудного тела для их предупреждения и/или локализации при ведении горных работ под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами.

• Разработана систематизация инженерно-геологических процессов с учетом техногенных факторов для прогнозирования устойчивости подземных выработок Яковлевского рудника на горизонтах -370 м и -425 м.

• Произведено зонирование подземных выработок на горизонтах -370 м и -425 м Яковлевского рудника по степени активности формирования инженерно-геологических процессов, влияющих на безопасность ведения горных работ.

Практическая значимость работы.

1. Установлены величины предельно допустимого напора нижнекаменноугольного водоносного горизонта, превышение которых может привести к формированию локальных прорывов в условиях снижения мощности водозащитного целика за счет куполения, вывалов и развития деформаций оседания при нарушении технологии ведения закладочных работ, а также негативного преобразования всех типов

руд;

2. Предложены критерии оценки устойчивости подземных выработок в условиях резко анизотропных по своим свойствам пород и руд для совершенствования и расширения действующего комплексного мониторинга;

3. Обоснована необходимость дополнительного дренирования нижнекаменноугольного водоносного горизонта путем использования существующих наблюдательных скважин, которые в прошлом веке были оборудованы для поверхностного дренажа, и/или проходки дополнительных самоизливающихся наклонных скважин на горизонте -425 м в зонах максимальной дезинтеграции пород и руд, установленных по результатам инженерно-геологического мониторинга.

сооружений Горного университета, в том числе оценке характера изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий Яковлевского месторождения, постоянное совершенствование, разработанного в 2005 г., регламента комплексного мониторинга, который включает проведение большого объема полевых и лабораторных работ.

Основные выводы и рекомендации, которые представлены в работе, основаны на большом числе экспериментальных исследований и аналитической обработке данных комплексного инженерно-геологического мониторинга, который проводится сотрудниками кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета, геологического и маркшейдерского отделов Яковлевского рудника, а также на расчетных методах оценки возможного формирования прорывов подземных вод из неосушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта.

В диссертационной работе также использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ при непосредственном участии автора: «Научное сопровождение горных работ на Яковлевском руднике» (2009, 2010, 2011 гг.), «Комплексное использование природных ресурсов Яковлевского месторождения богатых железных руд для развития высокотехнологичного производства и выпуска продукции широкой номенклатуры» (2011, 2012 гг.) «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Инженерная геология» (2011 г.), «Геотехническое прогнозирование влияния микробиотической деятельности на безопасность освоения и использования подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2012 г.) и «Научное сопровождение горных работ при освоении Яковлевского месторождения» (2013, 2014 гг.).

Реализация результатов исследований. Результаты, полученные при подготовке диссертации, рекомендуются к применению для прогнозирования изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий, в том числе опасных процессов, а также изучения вопросов устойчивости подземных выработок при разработке месторождений под неосушенными водоносными горизонтами. Полученные результаты работы внедрены в практику работ на ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник и предлагаются к использованию в научно-исследовательских и проектных организациях:

институт «Центргипроруда», г. Белгород; ФГУП ВИОГЕМ, г. Белгород; ООО «Институт Гипроникель», г. Санкт-Петербург; ОАО «Гипроруда», г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «III Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция молодых ученых» («Белгородский государственный институт», г. Белгород, 2009 г.), «Полезные ископаемые России и их освоение» («Горный университет», Санкт-Петербург, 2010, 2014 гг.), «batest Developments in Mineral Industry - Geology, Mining, Metallurgy and Management» (Technische University Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany 2011 г.), а также на заседаниях кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2011 - 2014 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7 опубликованных работах, 3 из которых в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России.

Структура работы. Диссертация изложена на 241 странице, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 158 наименований, содержит 95 рисунков, 39 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н., проф. Р.Э. Дашко. Автор благодарит всех сотрудников и членов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за обсуждение материалов диссертации, геологический отдел Яковлевского рудника, особенно гидрогеологов Д.А. Зайцева и Д.А. Кирилловского, за помощь в проведении мониторинга, а также маркшейдерский отдел рудника за предоставленные материалы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Прогнозирование инженерно-геологических условий при ведении горных работ под неосушенным высоконапорными водоносными горизонтами должно базироваться на результатах комплексного инженерно-геологического мониторинга, позволяющего оценить факторы формирования и/или активизации протекающих процессов, которые определяют устойчивость

подземных выработок Яковлевского рудника.

Традиционный подход к проблеме прогнозирования инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых, и прежде всего, таких опасных инженерно-геологических процессов, как гравитационные, геофильтрационные, прорывы подземных вод и др. базируется на управлении факторами, под воздействием которых происходит их формирование и активизация.

Прогнозирование и управление процессами включает следующие принципы: 1) обоснование возможности их возникновения и/или активизации; 2) локализация зон вероятного развития различных процессов; 3) определение времени и стадийности их возникновения;

4) оценка интенсивности проявления процессов и степени их опасности для ведения горных работ в пределах различных горизонтов;

5) разработка рекомендаций, соответствующих уровню опасности процессов.

Все методы инженерно-геологической диагностики и прогнозирования могут быть сведены к трем группам: а) сравнительно-геологические, б) расчетно-аналитические и в) моделирование (физическое, компьютерное). Совокупное использование методов повышает достоверность прогнозов.

Прогноз изменений инженерно-геологических условий железорудных месторождений кор химического выветривания значительно осложняется в связи: 1) с высокой тектонической дезинтегрированностью руд и вмещающих их пород; 2) присутствием в разрезе макро- и микропористых, гидрофильных, водонеустойчивых БЖР, сформировавшихся за счет процессов растворения и выщелачивания кремнезема из джеспилитов и железорудных сланцев с последующим выносом соединений серы и фосфора и накоплением железа до 65 % и более; 3) наличием в составе цемента руд карбонатов и глинистых минералов; 4) незакономерным распределением различных типов руд по мощности и простиранию; 5) широким диапазоном варьирования прочности и водопроницаемости руд, а также вмещающих их пород.

На руды Яковлевского месторождения особое влияние оказали эпигенетические процессы, связанные с карбонатизацией и хлоритизацией БЖР. При этом карбонатизированные руды выступают в роли жесткого каркаса рудной толщи, преимущественно в верхней части разреза.

Важно подчеркнуть, что на Яковлевском месторождении безопасность ведения очистных работ на глубинах более 600 м, под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами будет зависеть от стабильности прочности и устойчивости водозащитного целика, на 50 % состоящего из рыхлых БЖР, до 30 % приходится на прочные карбонатизированные и остальную часть составляют хлоритизированные руды (рисунок 1).

Особо следует отметить, что слабые БЖР при вторичном увлажнении легко переходят в состояние плывунов. Следовательно, один из основных факторов, который будет способствовать формированию опасных процессов в горных выработках Яковлевского рудника (прорывов) - перетекание подземных вод из неосушенного высоконапорного нижнекаменноугольного горизонта (НКГ), залегающего на рудном теле. Выше НКГ прослеживается еще пять напорных водоносных горизонтов. Напоры НКГ в настоящее время составляют 370 м (рисунок 2).

горизонт-370 м

■400

горизонт -425 м

.«до

Условные 1кчя нач ен ня

зесчзинк »теетняк

Ш с-таици

жвас'и,ыс р>'Льг жс;1пнсшс кварциты

I [ песок р 3 " | глина песчанистая [«глина Щ мел

мергель { | горная выработка

Г7ГЗ иьезомегричес'ка» поверх коси, С-——» кнж1«ека.мс«н<^Ш1ыи>10 водоносного горизонта до осушения рудной.) тея», пьешметргиеехая новерчноеп, —' руднокрнстаялиадсшго водоносного шризоша до его дреимро»лиия.

М пжт кумениоу! олм( ы и

1юдшюскып (орн'юн!

Пьезометрическая поверх кость

рузпокриеталлического водоносного горкчоята (2014 г.>

Рисунок 2 - Геолого-гидрогеологический разрез Яковлевского рудника с нанесением динамики напоров НКГ (2001 - 2014 гг.)

Рисунок 4 - Изолинии деформаций оседания толщи пород водозащитного целика (мм) на горизонте -370 м на геологическом разрезе (2014 г.)

Условные обозначения:

- руда железнослюдково-мартитовая

- руда мартито-гидрогематитовая и гидрогематито-мартитовая

- железистые кварциты

- сланец филлитовидный

- руда переотложенная

- линии штреков и ортов

■ - подземные горные выработки » - изолинии оседаний водозащитного целика (мм)

Рисунок 3 - Схематическая карта развития зон перетекания на горизонте -425 м из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу 1 - прямая связь с нижнекаменноугольным горизонтом (наибольшая степень водопроницаемости водозащитного целика), минерализация по сухому остатку (М) меньше либо равна 600 мг/дм3; 2 - различная степень разбавления вод руднокристаллического горизонта за счет перетекания, М = 600 - 1600 мг/дм3; 3 - неизменный состав руднокристаллического водоносного горизонта (наименьшая степень проницаемости водозащитного целика), М = 2000 -3000 мг/дм3; 4 - минерализованные воды тектонических трещин, М = 8000 - 12000 мг/дм3.

Условные обозначения:

- карбонатизнроваииыс относительно крепкие руды (I тип) и вмещающие их породы Ясж >40 M Па

□ - карбонатизиронанные относительно слабые рулы (II тип) и вмещающие их породы Нсж =10-40 M 11а

□ - руды с карбонатно-глиниешм цементом (III тип) н вмещающие их породы Ксж =2-1(1 M Па

Щ - рыхлые и иолу рыхлые рулы

- чередование рыхлых рул н рул с карбонатным и карбонатно-глиниешм цементом

- остаточные руды

Ксж <2 Ml la

. - линии тектонических разломов

Рисунок 1 - Схема строения водозащитного целика и вышележащей нижнекаменноугольной толщи Яковлевского рудника

Условные обозначения

дренажная скважина и ее номер //„

выхол волы из тектонической т рещины

капеж

шахтный ствол

JiJt' Jl) К malin ôopiiUKil.'

Ом 100 м

горные выраоотки

- горные выработки заложенные

- горные работы горизонта -375 м

- руда железнослюдковам-мартитовая

- руда мартнто-гидрогематнтовая и гндрогетнто-мартитовая

- железистые кварциты

4 [ДЮЛШ'К ПЧ/1

- слансц фил.] 11Т0ВЫН

- сланец межруднын

- руда переотложенная

- геологическая скважина

зона активного ведения горных работ:

- весьма высокая степень возможности формирования прорывов вод

- высокая степень возможности формирования прорывов

|] - средняя степень возможности формирования прорывов вод |.Ц-Щ| " низкая степень возможности формирования прорывов вод

зона пассивного ведения горных работ:

- весьма высокая степень возможности формирования прорывов 1 - высокая степень возможности формирования прорывов вод ^ - средняя степень возможности формирования прорывов вод

1 - шикая степень возможности (¡юрмирониния прорывов вод

ЕВЕ

Рисунок 5 - Зонирование горизонта -370 м Яковлевского рудника по степени активности формирования прорывов вод из неосушенного

нижнекаменноугольного горизонта

вентм.1яционно-закладочный

На горизонте -425 м с помощью самоизливающихся слабонаклонных скважин дренируется только руднокристаллический водоносный горизонт (рудная толща), пьезометрическая поверхность которого располагается ниже почвы горизонта -425 м, что приводит к росту градиентов напора между этими горизонтами и интенсификации процесса нисходящего перетекания вод из НКГ. Постоянное воздействие маломинерализованных вод НКГ, содержащих НтБ, СО2, органические и неорганические кислоты, влияет на прочность всех типов руд в водозащитном целике и предопределяет возможность формирования прорывов подземных вод.

К одному из важных инструментов контроля за расширением фронта перетекания подземных вод из неосушенных горизонтов относится комплексный мониторинг. В 2005 году была разработана концепция такого мониторинга для условий Яковлевского рудника, в состав которого входят два блока: / — наблюдения, проводимые непосредственно в горных выработках, включающие: 1) гидрохимические изменения состава подземных вод; 2) замеры водопритоков действующих дренажных скважин, водопроявлений по тектоническим трещинам и общего - к водосборной системе; 3) исследования микро- и макробиологической деятельности, 4) оценку состояния крепей, 5) фиксацию деформаций оседания водозащитного целика по глубинным реперам, расположенным в кровле выработок горизонта -370 м, и II - на земной поверхности: 1) ежемесячные наблюдения за изменением напоров подземных вод руднокристаллического и нижнекаменноугольного водоносных горизонтов в режимных скважинах; 2) замеры оседания дневной поверхности по двум реперным профилям в пределах шахтного поля.

В рамках комплексного мониторинга характер и интенсивность процесса перетекания были определены с помощью гидрохимического метода, основанного на разнице химического состава вод нижнекаменноугольного и руднокристаллического горизонтов (таблица 1). Для этого опробовались воды дренажных скважин и других водопроявлений на горизонте -425 м. Полевым и лабораторным путем, в первую очередь, оценивались величина минерализация подземных вод и содержание основных маркирующих макрокомпонентов -хлоридов и гидрокарбонатов.

По результатам гидрохимического опробования построена схематическая карты с выделением зон различной степени перетекания

вод из нижнекаменноугольного горизонта (рисунок 3). Наибольшая активность перетекания на горизонте -425 м отмечается в разведочном штреке №5, а также в опробованных точках разведочного штрека № 7, штреке лежачего бока-2 и висячего бока-3 (см. рисунок 3).

Таблица 1 - Характеристика основных водоносных горизонтов, определяющих обводнение рудной толщи_

Характеристика подземных вод Состав вод Содержание, мг/дм3 Минерализация, мг/дм3 Примечание

С1" НС03"

НКГ НСОз- 40 - 120 200350 500-600 генерация Н28

РКГ СГ- 12001600 200300 20003000 -

НКГ - нижнекаменноугольный водоносный горизонт; РКГ - руднокристаллический водоносный горизонт.

На горизонте -370 м, где ведется добыча БЖР, наблюдаются процессы вывалообразования, которые увеличивают вероятность формирования прорывов подземных вод за счет локального снижения мощности водозащитного целика. Высота зафиксированных вывалов в форме куполов по данным мониторинга может превышать 10 м, с максимальным объемом смещаемых руд до 440 м3.

Запаздывание закладочных работ на горизонте -370 м приводит к ускорению оседания водозащитного целика с относительной деформацией до 0,004, что способствует его разуплотнению и формированию дополнительной трещиноватости, увеличению водопроницаемости и активизации процесса перетекания.

2. При систематизации инженерно-геологических процессов по степени их влияния на безопасность ведения горных работ необходимо учитывать специфику строения и изменения свойств руд водозащитного целика в условиях нисходящего перетекания подземных вод из неосушенного каменноугольного горизонта, а также нарушения технологии ведения горных работ с полной закладкой выработанного пространства.

Сохранение устойчивости водозащитного целика, сложенного рудами различных типов, в условиях нисходящего перетекания вод

НКГ, а также активизации развития деформаций его оседания во многом будут определять безопасность ведения горных работ не только на горизонте -370 м, но и -425 м.

На первом этапе исследования руд с использованием керна разведочного бурения было выделено четыре типа руд, по величине прочности, содержанию полезного компонента и др. Прочные карбонатизированные руды I и II типов (11сж от 10 до 40 МПа и более) развиты в самой верхней части рудной залежи, при этом наибольшие мощности (до 18 м) встречены в висячем боку.

Важно подчеркнуть, что воды нижнекаменноугольного горизонта, характеризующиеся как мягкие (жесткость менее 1,5 мг-экв/дм3), при наличии СО 2, органических и неорганических кислот, обладают выщелачивающей и углекислотной агрессивностью по отношению к карбонатизированным рудам.

Известно, что в нижней части разреза нижнекаменноугольных известняков присутствуют битуминозные и углистые глины, которые служат источником органического вещества и анаэробной микробиоты, прежде всего, сульфатредуцирующих бактерий, продуктом жизнедеятельности которых является сероводород (Н2Б), способствующий образованию пирита и других сульфидов. Эти минералы повсеместно встречаются в толще известняков. В условиях окисления пирита может происходить образование РеБ04, Ре2(504)} и Н2Б04 с повышением кислотности подземных вод, что вызывает растворение карбонатного цемента прочных руд.

При реакции серной кислоты с органическим веществом (ЯН) образуется сульфоновая кислота: 2КН+Н2Б04-^Н20+[К-НБ0з], которая также выщелачивает карбонаты: 2[Я-НБОз]+СаСОз^Н2СОз+ [Са-2(Я-80)3]. Дальнейшая диссоциация углекислоты: Н2С0з—>Н20+С02, приводит к высвобождению агрессивного С02.

Разрушение карбонатного цемента наблюдается под воздействием маломинерализованных вод нижнекаменноугольного горизонта, содержащих сероводород, согласно реакциям: СаСОз+Н2Б->СаБ+С02+Н20, 2СаБ+2Н2О^Са(НБ)2+Са(ОН)2.

В аэробной среде Н2Б окисляется до серной кислоты, которая усиливает растворяющую способность подземных вод, поскольку рН достигает 5 и менее.

На основании проведенных исследований прочность на сжатие руд I и II типов может снижаться на 35-50% и более в зависимости от

содержания карбонатного цемента в рудах и интенсивности его растворения.

В процессе перетекания прочность глиноподобных и полурыхлых руд на глинистом цементе (III тип) уменьшается до 40% за счет размокания и реже выноса глинистого материала.

IV тип руд - наименее прочный (R^ менее 2 МПа) и характеризуется максимальным содержанием железа - более 60%. Руды этого типа руд обладают высокой пористостью, а на отдельных участках - макропористостью, повышенной гидрофильностью и водонеустойчивостью.

По минеральному составу БЖР подразделяют на «синьки» преимущественно железнослюдково-мартитовые гематитовые, и «краски» - мартит-гидрогематитовые, гидрогетитовые, которые по гранулометрическому составу представляют собой алеврит или глинистый песок и разнозернистый песок, соответственно.

По результатам исследований кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского Горного университета к основным критериям перехода БЖР в неустойчивое состояние отнесены: 1) содержание в гранулометрическом составе «синек» пылеватой фракции выше 60 %, что приводит к образованию истинных плывунов; 2) высокий коэффициент неоднородности «красок» - до 39, способствует формированию суффозионных процессов при невысоких градиентах напора.

Крупномасштабное моделирование геофильтрационных процессов в рыхлых рудах позволило установить критерии их перехода в неустойчивое состояние. При сохранении слабых структурных связей за счет глинистой составляющей в рудах типа «краски» суффозионные процессы развиваются при градиентах напора 10,0 и более, а их начальное разрушение фиксировалось при градиенте 5,0. «Синьки» переходят в состояние плывунов при значительно более низких градиентах напора равных 0,7, а при 1,0 наступает их полное разрушение.

Экспериментальные исследования сопротивления сдвигу БЖР ненарушенного сложения, отобранных в выработках на горизонте -425 м Яковлевского рудника, показали, что полное осушение БЖР приводит к увеличению угла внутреннего трения (ф) до 23 и сцепления (с) до 0,8 МПа за счет остаточных цементационных связей и величины плотности скелета.

Вторичное увлажнение образцов сопровождалось в процессе их испытания на сдвиг развитием провальных деформаций по аналогии с лессовидными породами, за счет наличия макропористости, (р не превышал 8°, а величина с снизилась до минимальных значений -0,025 МПа.

На основании результатов вышеприведенных исследований и комплексного мониторинга была составлена систематизация инженерно-геологических процессов в подземных выработках Яковлевского рудника для повышения достоверности прогнозирования их формирования и развития, а также безопасности ведения горных работ (таблица 2).

3. Формирование наиболее онасного нроцесса — прорыва подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в горные выработки, зависит от динамики снижения прочности сцементированных карбонатизированных руд в водозащитном целике в условиях снижения его мощности и устойчивости, а также расширения фронта неретекания маломинерализованных вод из неосушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта.

Установлено, что вследствие наличия в разрезе водозащитного целика жестких и слабых типов руд и пород изменяется напряженно-деформируемое состояние анизотропного массива. При этом в слабом слое происходит концентрация напряжений - в таких зонах наблюдается повышенное вывалообразование и куполение.

Зафиксированные значения высоты куполов обрушения (Ъ) коррелируют с расчетными величинами, полученными с использованием метода П.М. Цимбаревича, который справедлив при условии квазиоднородности несвязных пород в кровле и боках выработки:

а + /г • с^(45 + (р!Т) ^

где Ь — высота естественного свода обрушения, м; а - полуширина выработки, м (2,75 м); Ь - высота выработки, м (5 м); ф - угол трения в толще пород (для осушенных руд ср=23°, для вторично увлажненных или водонасыщенных БЖР в состоянии полного водонасыщения - 8°. Средневзвешенная величина ср по мощности равна 11°).

Результаты расчетов и натурные наблюдения свидетельствуют о том, что дополнительное увлажнение приводит к снижению ср БЖР и

росту высоты естественного свода обрушения:

Угол внутреннего трения (ср), град 23 11 8

Высота естественного свода обрушения (Ь), м 10,5 19,8 26,3

Недозакладка выработанного пространства привела к деформации водозащитного целика, величина которой на январь 2014 г. достигла 970 мм, что существенно снижает его прочность (рисунок 4).

Оценка возможности формирования прорывов вод может быть выполнена по четырем группам расчетных схем. Первая из них учитывает только линейные размеры водозащитного целика, либо выработки. Так на угольных месторождениях согласно ПБ 07-269-96 рассчитывают безопасную глубину разработки по формуле Н=п-т, где т -мощность извлекаемого пласта, м; п - коэффициент, зависящий от инженерно-геологических условий отрабатываемого месторождения, и изменяется от 20 до 500.

На аналогичных месторождениях Китая применяют коэффициент прорыва - Т=Р/М, где Р - напор водоносного горизонта, МПа; М- мощность водозащитного целика, м. Критические значение коэффициента прорыва (7) изменяются от 0,060 до 0,150 и устанавливается индивидуально для конкретных условий месторождения.

Для рудных месторождений по СП 103.133302012 и ПБ 03-55503 рекомендован расчет предельно-допустимого напора: Н„р=5т, где т - мощность водозащитного целика, м.

Зависимости первой группы расчетных схем не рекомендуются для использования, поскольку они не учитывают прочность пород водозащитной толщи, которая может варьировать в значительных пределах.

Во вторую группу входят расчеты для определения мощности водозащитных целиков, которые, как правило, базируются на методах строительной механики с использованием прочности на растяжение, плотности пород целика и мощности извлекаемого пласта, также не дают достоверных результатов, поскольку работа водозащитного целика имеет более сложный характер.

В третью группу входят зависимости для определения Н„р, в которые включены также прочность пород водозащитного целика на растяжение либо на прорыв для глинистых отложений. Прочность на

Таблица 2 - Систематизация инженерно-геологических процессов наблюдаемых и прогнозируемых в подземных выработках Яковлевского рудника на горизонтах -370 м и -425 м _______

- Генетический ; тип процесса : ч [ Уровень V опасности' * Наименование процесса Основные факторы, определяющие развитие процесса Масштаб проявления Развитие во времени Негативные последствия процесса

1 2 3 4 5 6 7

Горизонт -370 м (ведение очистных работ с полной закладкой выработанного пространства легкими бетонами)

Прорыв подземных вод из неосушенного высоконапорного нижнекаменноугольного водоносного горизонта Уменьшение прочности пород и руд защитного целика; превышение предельно допустимых относительных деформаций оседания Локальный в зонах вторичного увлажнения подземных вод, содержащих Н2В и С02 Часы Локальное затопление горных выработок

>я 3 X X 4) и О X X Деформации оседания водозащитного целика (кровля выработок) Недозакладка выработанного пространства, низкое качество закладочного материала (прочность, водо- и биоустойчивость) Локальное, в зонах нарушения технологии ведения очистных и закладочных работ и вторичного увлажнения Месяцы Формирование локальных куполов в кровле выработок, приводящее к уменьшению мощности водозащитного целика

¡1 о X « о р. к £ высокий Переход рыхлых богатых железных руд в состояние плывунов Вторичное увлажнение за счет нисходящего перетекания подземных вод Узколокальное Часы, недели Локальное нарушение устойчивости кровли и боков выработки при ведении очистных работ

л X X <о и о О я Г> Активизация микробной деятельности в рыхлых и полурыхлых богатых железных рудах Перетекание вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта и контаминация руд горючесмазочными материалами Локальное(пункт обслуживания самоходного оборудования) Месяцы Ускорение и усиление биокоррозионных процессов конструкционных материалов (металлической крепи и закладочных материалов)

Коррозия закладочного материала Физические, физико-химические, химические и биохимические процессы, связанные с агрессивностью богатых железных руд и подземных вод Локальное Месяцы, реже годы Снижение прочности закладочного материала во времени, приводящее к развитию деформаций прогиба защитного целика, формирование вывалов и местных куполов

'Уровень опасности для обеспечения нормальных условий ведения горных и очистных работ

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7

Горизонт -425 м (капитальные и подготовительные выработки, осушениеруднокристаллического водоносного горизонта)

/—N « 3 к Вывалы горных пород и прочных РУД Наличие плоскостей ослабления, "зеркала" скольжения, крутое залегание пород, тектоническая трещиноватость, вторичное увлажнение пород и руд по трещинам В зоне штрека висячего бока в условиях преобладания в разрезе рудных и безрудных сланцев Подготовка вывалов -месяцы, развитие процесса - минуты Нарушение стабильности ведения горных работ, материальные затраты на ликвидацию последствий, травматизм

X щ и 0 X X си Н 1 о в Развитие плывунов в рыхлых рудах ("синьках") Вторичное увлажнение и активизация микробной деятельности вплоть до биохимического газообразования Узколокальный в зоне вскрытия рыхлых богатых железных руд Часы, недели Местное нарушение устойчивости кровли и боков горных выработок

X Е[ о & к о. с « X X <и и о со X « к О. и Фильтрационные деформации в рыхлых и полурыхлых богатых железных рудах при осушении руднокристаллического горизонта и нисходящего перетекания Неоднородность гранулометрического состава богатых железных руд и величина гидродинамического давления, зависящая от градиента напора (Д) Локальные в зонах действия максимальных градиентов напора. При 1>1,0 наблюдается развитие суффозии в «синьках», Л>10,0 - в «красках» Постоянное проявление Местное разуплотнение рыхлых и полурыхлых богатых железных руд, вынос заполнителя трещин в межрудных сланцах и кварцитах, сопровождающееся активизацией и расширением площадей вывалов

^ СО Развитие биохимических и физико-химических процессов в породах и рудах, прогрессирующее разрушение крепей Дополнительное поступление микробиоты при перетекании подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта, застойные явления в горных выработках из-за снижения интенсивности их вентиляции Локальный в зонах перетекания подземных вод из нижнекаменноугольног о горизонта и плохо вентилируемых выработках Постоянное проявление Снижение прочности полурыхлых и рыхлых богатых железных руд, биокоррозия металлической крепи и деревянной забутовки за счет развития на ней базидиальных грибов, микромицетов и бактерий

Горизонты -425ми -370м

Эндогенный (природный) Проблематично опасный Радиолиз горных пород, руд и конструкционных материалов при эксгаляции радона и других радионуклидов Связано с глубинными процессами и радиоактивностью пород и подземных вод В зонах тектонических разломов Постоянное по мере расширения фронта горных работ Снижение прочности горных пород, руд и конструкционных материалов, активизация деятельности микроорганизмов при величине активности меньше 105 Бк/дм3 (на Яковлевском руднике до 86 Бк/дм3)

прорыв (Н.Г. Паукер, 1957) необходимо определять для каждой разновидности пород опытным путем, что в значительной степени затрудняет практический расчет.

Набольшее совпадение с реальными условиями показывают расчеты Н„р, выполненные по формулам, в которых предполагается, что горные породы водозащитного целика работают на сдвиг, поэтому количественная оценка локальных прорывов была выполнена по величине предельно-допустимого напора с использованием зависимости В.А. Мироненко - В.М. Шестакова:

Те

2 с

г+-

(2)

b-tg(p-m£J >

где с - сцепление горной породы; Ъ - ширина выработки; g — коэффициент бокового распора; ср - угол внутреннего трения горных пород, град., т - мощность водозащитного целика.

Расчет Нпр по такой формуле может быть реализован только при условии, что b>tg<|)-m£, в противном случае при b<tgcp-mi; прорыв невозможен.

Предельно допустимые величины напоров были определены для значений мощности защитного целика - 65 м, характерных для центральной части залежи, 50 м — для лежачего бока и 38 м -минимальной мощности, полученной с учетом наблюдаемых в кровле выработок куполов обрушения (таблица 3).

Для расчетов были использованы параметры сопротивления сдвигу, согласно результатам экспериментальных исследований. Коэффициент бокового давления был замерен in situ в условиях Яковлевского рудника и составил £ =0,67. По проекту ширина выработки равна 5,5 м.

Рассчитанные величины допустимых напоров приведены в таблице 3, согласно котором вероятность прорывов возникает при условии, что целик на полную мощность сложен рыхлыми вторично увлажненными БЖР. Следовательно, вторичное увлажнение БЖР при целике мощностью 38 м повышает уровень риска формирования прорыва подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта.

Таблица 3 - Результаты расчетов величины допустимых напоров для оценки возможности прорывов при действующем напоре 370 м_

Состояние руд с, МПа Ч>, град т, м Нбез> м

23 50

Осушенные 0,25 38

65 Прорыв теоретически

И 50 невозможен

И 50

Вторично увлажненные 38 462

0,025 8 65 Прорыв теоретически невозможен

50 470

38 216

На основании экспериментальных исследований, результатов комплексного мониторинга и проведенных расчетов было выполнено зонирование выработок горизонта -370 м по степени возможности формирования прорывов (рисунок 5). В области активного ведения горных работ наиболее опасная по прорывам зона прослеживается вдоль лежачего бока и ограничивается западным и восточным вентиляционно-закладочными ортами, поскольку здесь фиксируется совокупное влияние факторов, способствующих формированию прорывов (распространение слабых руд типа «синьки», максимальные величины оседания водозащитного целика, снижение его мощности до критических значений, влияние перетекания вод из нижнекаменноугольного горизонта). В районе пассивного ведения горных работ к зонам весьма высокой и высокой степени активности формирования прорывов приурочены участки распространения «синек» (железнослюдково-мартитовые руды), которые приближены к области активного ведения горных работ и соответствуют зонам перетекания вод из неосушенного нижнекаменноугольного горизонта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решается актуальная научно-прикладная задача по прогнозированию изменения инженерно-геологических условий при

ведении очистных работ на Яковлевском руднике под высоконапорным нижнекаменноугольным водоносным горизонтом, выполненная на основе анализа и оценки изменения таких условий и результатов комплексного мониторинга.

1. Принципы прогнозирования горно-геологических процессов, которые влияют на безопасность ведения горных работ, базируются, прежде всего, на выявлении и управлении факторами, определяющими их формирование и развитие. Особое внимание при этом уделено инженерно-геологическим условиям месторождений кор химического выветривания, гидрохимическому и гидродинамическому воздействию подземных вод на руды в процессе увеличения объемов добычи БЖР.

2. Анализ и оценка результатов комплексного мониторинга дает возможность прогнозировать изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий Яковлевского месторождения при его эксплуатации, а также управлять процессами путем их предупреждения или локализации.

3. Систематизация инженерно-геологических процессов на горизонтах -370 м и -425 м, а также учет специфики ведения горных работ, повышает достоверность прогнозирования возможности их образования и развития.

4. Прорывы подземных вод из неосушенного нижнекаменноугольного горизонта отнесены к наиболее опасным процессам, формирование которых связано с изменением прочности карбонатизированных руд водозащитного целика в зонах нисходящего перетекания вод этого горизонта, содержащих НгБ, органические и неорганические кислоты. Развитие гравитационных процессов, таких как куполение и вывалы в совокупности с деформациями оседания целика повышают возможность образования прорывов, поскольку способствуют локальному снижению его мощности, росту трещиноватости и разуплотнению руд и пород.

5. Анализ основных расчетных схем оценки возможности формирования прорывов вод в горные выработки, позволил установить, что наиболее достоверные результаты дают расчеты предельно допустимого напора с использованием зависимости В.А. Мироненко -В.М. Шестакова. При этом учитывалось варьирование параметров сопротивления сдвигу руд водозащитного целика и его мощности.

6. Проведенные исследования позволили выполнить зонирование горизонтов -370 м и -425 м по степени активности формирования

гравитационных, геофильтрационных процессов и прорывов подземных вод в горные выработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих наиболее значимых работах

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. ДашкоР.Э. Комплексный мониторинг подземных вод на Яковлевском месторождении богатых железных руд и его роль в повышении безопасности ведения горных работ в условиях неосушенных водоносных горизонтов / Р.Э. Дашко, E.H. Ковалева (Феллер) // Записки Горного института. Т. 190. СПб,

2011, с. 78-86.

2. Дашко Р.Э. Гидрогеологический мониторинг на Яковлевском руднике (КМА) как инструмент повышения безопасности ведения очистных работ в сложных горно-геологических условиях / Р.Э. Дашко, E.H. Ковалева (Феллер) // Записки Горного института. Т.195. СПб,

2012, с. 19-24.

3. Дашко Р.Э. Формирование и развитие горно-геологических процессов в зависимости от изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий на Яковлевском руднике / Р.Э. Дашко, E.H. Феллер // Записки Горного института. Т. 199. СПб, 2012, с. 151-161.

РИЦ Горного университета. 10.07.2014. 3.568. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Феллер, Екатерина Николаевна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201460898

На правах рукописи

Феллер Екатерина Николаевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ (ЯКОВЛЕВСКОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД, КМА)

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна

Санкт-Петербург - 2014

ГЛАВА 4 ПРИНЦИПЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ................................................... 136

4.1 Специфика образования и развития гравитационных процессов в подземных выработках Яковлевского рудника........................... 136

4.2 Определение критериев прогнозирования геофильтрационных процессов с помощью испытаний на больших моделях............... 151

4.3 Прогнозирование прорывов подземных вод в горные выработки Яковлевского рудника......................................................... 156

4.3.1 Обоснование методов прогнозирования изменения инженерно-геологических условий при эксплуатации месторождений полезных ископаемых под водными объектами............................................................... 156

4.3.2 Факторы формирования прорывов подземных вод из нижнекаменнуогольного водоносного горизонта в горные выработки на горизонте -370 м..................................... 176

4.3.3 Расчет величины предельно-допустимого напора как критерия для прогнозирования прорывов вод из нижнекаменноугольного горизонта в горные выработки на Яковлевском руднике................................................ 181

4.4 Выводы по главе 4.............................................................. 134

ГЛАВА 5 СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И ЗОНИРОВАНИЕ НАБЛЮДАЕМЫХ И ПРОГНОЗИРУЕМЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ............................................................................... 186

5.1 Систематизация инженерно-геологических процессов на Яковлевском руднике......................................................... 186

5.2 Зонирование горизонтов -370 м и -425 м по степени активности формирования инженерно-геологических процессов.................. 193

5.3 Мероприятия для повышения безопасности ведения горных работ

на Яковлевском руднике...................................................... 204

5.4 Выводы по главе 5............................................................. 216

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 218

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 224

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением объемов добычи БЖР и осушением рудного тела меняются инженерно-геологические условия Яковлевского рудника, наблюдается формирование и развитие опасных процессов в подземных выработках, прогнозирование которых служит основой для повышения безопасности ведения горных работ.

Прогнозированию инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых посвящены труды С.П. Бабушкина, Г.К. Бондарика, В.Т. Глушко, Г.А. Голодковской, Г.С. Золотарева, И.П. Иванова, Г.Н. Кузнецова, С.Т.Кузнецова, В.Д. Ломтадзе, Н.В. Мельникова, В.А. Мироненко, М.Е. Певзнера, С.П. Прохорова, К.В. Руппенейта, В.Л. Свержевского, Г.Г. Скворцова, Б.В. Смирнова, Г.Л. Фисенко, В.В. Фромма и др. ученых.

Задачи исследований

выработанного пространства в условиях неосушенных высоконапорных водоносных горизонтов.

4. Зонирование горизонтов -370 м и -425 м Яковлевского рудника по степени активности формирования инженерно-геологических процессов на основе проведения комплексного инженерно-геологического мониторинга.

5. Совершенствование системы комплексного инженерно-геологического мониторинга для повышения безопасности ведения горных работ на Яковлевском руднике.

Фактический материал и личный вклад автора

Диссертация является продолжением научных исследований по сопровождению горных работ на Яковлевском руднике, которые проводятся на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета с 1998 г. Автором работы был выполнен анализ фактических материалов и литературных данных по изучению особенностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий железорудных месторождений древних кор химического выветривания зарубежных стран и России, в том числе на Яковлевском месторождении БЖР, и прогнозированию изменения таких условий в ходе ведения очистных работ. При Непосредственном участии автора были проведены четыре цикла гидрохимического и гидродинамического мониторинга (2009 - 2011 гг.), по результатам которых установлены и выделены зоны различной степени интенсивности перетекания маломинерализованных вод, содержащих Н28, из неосушенного нижнекаменноугольного горизонта с помощью полевых и лабораторных методов определения химического состава воды. В рамках комплексного инженерно-геологического мониторинга проведена специализированная съемка проявления и активизации природно-техногенных процессов в подземных выработках на горизонте -425 м Яковлевского рудника. Проанализированы материалы по формированию и развитию гравитационных процессов в рудах и породах на горизонте -370 м, где

ведутся очистные работы. На основании большого числа фактических данных и результатов комплексного мониторинга определены факторы и предложены критерии, способствующие повышению достоверности прогноза инженерно-геологических процессов в подземных выработках. Впервые выполнена систематизация наблюдаемых и прогнозируемых инженерно-геологических процессов на горизонтах -370 м и -425 м. Проведено зонирование вышеуказанных горизонтов Яковлевского рудника по степени активности формирования инженерно-геологических процессов.

Научная новизна

• Произведено зонирование подземных выработок на горизонтах -370 м и -425 м Яковлевского рудника по степени активности формирования

инженерно-геологических процессов, влияющих на безопасность ведения горных работ.

Защищаемые положения

3. Формирование наиболее опасного процесса - прорыва подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в горные выработки, зависит " от динамики снижения прочности сцементированных карбонатизированных руд в водозащитном целике в условиях снижения его мощности и устойчивости, а также расширения фронта перетекания маломинерализованных вод из неосушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта.

Практическая значимость

^ Установлены величины предельно допустимого напора нижнекаменноугольного водоносного горизонта, превышение которых может привести к формированию локальных прорывов в условиях снижения мощности водозащитного целика за счет куполения, вывалов и развития

деформаций оседания при нарушении технологии ведения закладочных работ, а также негативного преобразования всех типов руд.

^ Предложены критерии оценки устойчивости подземных выработок в условиях резко анизотропных по своим свойствам пород и руд для совершенствования и расширения действующего комплексного мониторинга.

^ Обоснована необходимость дополнительного дренирования нижнекаменноугольного водоносного горизонта путем использования существующих наблюдательных скважин, которые в прошлом веке были оборудованы для поверхностного дренажа, и/или проходки дополнительных самоизливающихся наклонных скважин на горизонте -425 м в зонах максимальной дезинтеграции пород и руд, установленных по результатам инженерно-геологического мониторинга.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на анализе литературных источников, а также большого количества фактического материала, полученного на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии и строительства горных предприятий и подземных сооружений Горного университета, в том числе оценке характера изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий Яковлевского месторождения, постоянное совершенствование, разработанного в 2005 г., регламента комплексного мониторинга, который включает проведение большого объема полевых и лабораторных работ.

Реализация результатов исследований.

Результаты, полученные при подготовке диссертации, рекомендуются к применению для прогнозирования изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий, в том числе опасных процессов, а также изучения вопросов устойчивости подземных выработок при разработке месторождений под неосушенными водоносными горизонтами. Полученные результаты работы внедрены в практику работ на ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник и предлагаются к использованию в научно-исследовательских и проектных организациях: институт «Центргипроруда», г. Белгород; ФГУП ВИОГЕМ, г. Белгород; ООО «Институт Гипроникель», г. Санкт-Петербург; ОАО «Гипроруда», г. Санкт-Петербург.

«Полезные ископаемые России и их освоение» («Горный университет», Санкт-Петербург, 2010, 2014 гг.), «batest Developments in Mineral Industry -Geology, Mining, Metallurgy and Management» (Technische University Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany 2011 г.), а также на заседаниях кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2011-2014 гг.).

Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н., проф. Р.Э.Дашко. Автор благодарит всех сотрудников и членов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за обсуждение материалов диссертации, геологический отдел Яковлевского рудника, особенно гидрогеологов Д.А. Зайцева и Д.А. Кирилловского, за помощь в проведении мониторинга, а также маркшейдерский отдел рудника за предоставленные материалы.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ДРЕВНИХ КОР ХИМИЧЕСКОГО

ВЫВЕТРИВАНИЯ

1.1 Анализ и оценка инженерно-геологических условий при разработке месторождений железных руд в корах химического выветривания

Россия занимает первое место в мире по подтвержденным запасам железной руды, которые составляют 29281 млн. т., согласно данным АЦ «Экс�

Информация о работе

Феллер, Екатерина Николаевна
кандидата геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.08

Диссертация

Прогнозирование изменения инженерно-геологических условий при ведении очистных работ на Яковлевском руднике - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы