ПАРАМЕТРЫ ПОРОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ РУД

Полный текст

Введение Обеспечение потребностей человеческого общества в минеральном сырье формирует перед горным производством новые проблемы взаимоувязки технологических процессов и сохранения окружающей среды [1-4]. О масштабах воздействия горного производства можно судить по тому, что из земных недр извлекается около 200 видов полезных ископаемых, а годовой объем мировой добычи минерального сырья достигает 17-18 млрд. тонн горной массы. Наиболее проблемным подземным способом добывают две трети руд цветных и редких металлов, более 50 % руд горной химии, около 60 % угля, около 100% калийных солей. В России на разведку и добычу полезных ископаемых расходуется до 40 % капиталовложений, треть производственных и около 20 % трудовых ресурсов. Управление горным давлением как совокупность мероприятий по предотвращению неуправляемых процессов развития напряжений и деформаций состоит в использовании, в числе прочих, технологических решений, использующих феномен остаточной несущей способности разрушенных пород. Одним из основных вопросов эксплуатации месторождений полезных ископаемых является выбор параметров погашения пустот, образованных выемкой сырья. Критерием эффективности управления состоянием массива являются приведенные затраты на погашение пустот. По этому критерию из применяемых способов управления массивом предпочтительно обрушение пород. Однако, этот способ предполагает ошибку при оценке затрат, поскольку действительная стоимость отвлекаемых земель, минерального сырья и изменение экологической обстановки не могут быть оценены достоверно. Концепция сохранения земной поверхности от разрушения реализуется путем регулирования напряжений согласованием процессов выемки руды во времени и пространстве. На этой основе разработаны природоохранные и ресурсосберегающие технологии, которые дали положительные результаты при подземной разработке сложно-структурных месторождений [5-8]. Цель Среди негативных форм воздействия горных работ на окружающую среду приоритетно разрушение земной поверхности, в результате чего зона разрушения вступает в контакт с зоной жизнедеятельности и обитания флоры, фауны и человека (рис.1) [9-10]. Рис. 1. Влияние горных работ на зону жизнедеятельности: 1- зона жизнедеятельности; 2- зона разделительная; 3- зона разрушения Fig.1. The impacts of mining operations on the area of life: 1 - area of activity; 2 - the zone of separation; 3 - zone of destruction Геомеханическая сбалансированность напряженно - деформированных дискретных сред обеспечивается, в том числе, за счет использования остаточной несущей способности природно и технологически разрушенных пород. Разрушенный массив не всегда обрушается, используя остаточную несущую способность, которая реализуется в форме консолидации структурных отдельностей, поэтому целью управления состоянием массива разрабатываемого месторождения является выбор таких решений, которые сохраняли бы его и земную поверхность над ним от разрушения, используя феномен создания несущих породных конструкций. Материалы и методы Месторождения металлических руд залегают в неоднородных массивах сложной структуры, поведение которых определяет экономические, экологические и социальные последствия разработки, поэтому создание и внедрение научно - методических предпосылок управления неоднородными скальными массивами представляет собой важную научную и практическую задачу. При исследовании закономерностей поведения массивов используют системный подход, содержащий анализ результатов аналогичных работ, натурные исследования с помощью маркшейдерских съемок, разгрузки массива, измерений деформаций скважин; лабораторные - с помощью моделирования на эквивалентных, оптико-поляризационных и электропроводящих материалах; теоретические с использованием метода конечных элементов и др. Закономерности поведения напряженно-деформированных горных пород при образовании в них пустот установлены работами В.Д. Слесарева (1948), С.В. Ветрова (1975), К.В. Руппенейта, Г.Л. Фисенко (1976) и др. Методы расчета геомеханических процессов в массивах с дискретным гравитационно тектонически-структурным полем напряжений даны в трудах А.А. Борисова, Г.Н. Кузнецова, С.В. Ветрова. Работами Н.В. Баклашова, И.М. Петухова, Л.Г. Протосени и др. обосновано использование остаточной несущей способности нарушенных пород. Управление состоянием массивов с обеспечением их устойчивости путем заполнением пустот твердеющими закладочными смесями разработано трудами Д.М. Бронникова (1973), М.И. Цыгалова (1985), Н.Ф. Замесова (1973), Л.А. Крупника (1986), А.П. Требукова (1981) и др. М.М. Протодьяконов (1933) обосновал, что на горную выработку действует только масса пород в пределах свода с высотой значительно меньшей глубины работ. В. Д. Слесарев (1948) в качестве устойчивости выработки сопротивление разрыву горных пород в кровле; А.А. Борисов (1964) увязал теорию с устойчивостью слоя пород в кровле выработки. С.В. Ветров (1975) увязал устойчивость выработки с прочностью заклинивающихся в пределах шарнирной арки пород в пределах свода естественного равновесия [11]. Результаты и обсуждение В зависимости от механизма работы напряжений и деформаций в массиве выработки в нарушенных горными работами породах ведут себя по одному из типов (табл.1). Таблица1 [Table1] Типизация выработок по устойчивости [Typing the workings on the stability] Тип [Type] Признак Sign Устойчивость выработок Stability of openings Первый [First] Деформации пород не превышают предела упругости Deformation of rocks not exceed the elastic limit of the Устойчивы всегда Sustainable always Второй [Second] Обеспечивается самозаклинивание структурных блоков в несущем слое кровли выработки Provided samosoglasovannye structural blocks in the bearing layer of the roof production Средней устойчивости при условии непревышения предельных размеров Average resistance under the condition not exceeding the size limits Третий [Third] Дискретные несвязанные породы без заклинивания в кровле Discrete unrelated breed without jamming in the roof Всегда неустойчивы Always unstable Несущая способность дискретных пород корректируется технологией разработки. Радикальным способом управления массивом является создание равнопрочных по сравнению с извлекаемыми породами искусственных массивов. В массивах скальных месторождениях вертикальные напряжения искажаются действием тектонических сил. Горизонтальные напряжения ослабляются или разгружаются в заполняющем трещины материале. Разрушение хрупких пород в зонах ослабленности массива происходит в форме раскрытия структурных нарушений с образованием блоков, которые ведут себя как жесткие тела с упругим контактированием. Условие прочности системы на различных стадиях существования массива описывается моделью [12]: , где 1 - вертикальная составляющая главных напряжений; 2,3 - горизонтальная составляющая главных напряжений, МПа; k - параметр степени искажения напряжения структурно-тектоническими условиями; сж - напряжения в верхнем слое пород, МПа; - напряжения в зоне влияния очистных работ, МПа; - остаточная прочность разупроченных пород, МПа; Z0 - пролет, при котором сохраняется плоская форма обнажения, м; х1,…хn - характеристики материала структурных блоков; закл - прочность сжатию закладочного массива, МПа; В - ширина зоны обрушения; Н - высота зоны обрушения, м; hc - высота зоны влияния очистных работ, м; hS - высота закладки, м. Таблица 2 [Table 2] Типизация нарушенности массивов [Typing of the original arrays] Зоны Zone Характер деформирования The nature of deformation Прочность массива The strength of the array Природно- и технологически разрушенные породы Natural and technologically ruined rocks Минимальная связь структурных отдельностей между собой A minimal link between the structural parts of a Минимальная прочность, неустойчивость выработок The minimum strength, the instability of mine workings Природно- и технологически ослабленные породы Natural and technologically loosened rocks Контактирование структурных отдельностей между собой и образование конструкций при условии не превышения предельных размеров Contacting structural parts of each other and the formation of structures under the condition not exceeding the size limits Средняя прочность, средняя устойчивость выработок Average strength, average resistance workings Нетронутые породы Untouched breed Взаимодействие структурных отдельностей в условиях объемного сжатия The interaction of structural parts under conditions of volumetric compression Максимальная прочность, определяемая пределом прочности при сжатии Maximum strength determined by the tensile strength under compression Условие геомеханической сбалансированности системы "нетронутый массив - нарушенный массив - искусственный массив": где kупр - коэффициент упрочнения массива при объемном сжатии. Деформирование, разрушение и перемещение массива представляет собой следствие внутреннего взаимодействия элементарных минеральных частиц, осложненного анизотропностью среды. В зависимости от деформирования пород в массиве одновременно сосуществуют несколько областей разрушения. Вблизи разлома возникает зона нарушенных пород с минимальной несущей способностью, которую сменяют зоны ослабленных, а затем нетронутых пород (табл. 2). Разрушение массива открывает пути миграции жидких и газообразных продуктов горного производства, создавая опасность для окружающей среды (рис.2) [13-14]. Рис. 2. Изменение напряжений в окрестностях выработки: 1 - выработка; 2 - зона мак-симальных напряжений; 3- зона минимальных напряжений; 4- зона нетронутых пород Fig. 2. The voltage changes in the vicinity of the production: 1 - production; 2 - zone of maximum stress; 3 - zone of minimal stress; 4 - zone of intact rocks Максимальная сохранность массива и горных выработок обеспечивается при минимизации объемов первых двух зон и увеличении доли допредельного деформирования: , где сж.м. - предел мгновенной прочности при одноосном сжатии, МПа; сж.д. - предел длительной прочности при одноосном сжатии, МПа; kт - коэффициент тектонической нарушенности; a - параметр аппроксимации; t - время. При моделировании процессов разрушения скальных массивов их состояние описывается условием [15]: где - напряжения в зоне влияния выработок, МПа; Кз - коэффициент корректировки напряжений; l max , l min - пролеты обнажения пород, м; х1...хn - технологические, физико-механические и иные характеристики; П- потери руд, доли ед.; R - разубоживание руд породами, доли ед.; hз - высота закладочного массива, м; h п - высота влияния горных выработок, м. Степень безопасности технологий по развитию критических напряжений и деформаций оценивается коэффициентом K1: , где V о - объем образованных в массиве пустот, м3; V з - объем заполненных закладкой пустот, м3; К т- коэффициент доли твердеющей закладки. По устойчивости в зависимости от размеров структурных блоков пород в кровле выработки могут быть типизированы в рамках табл. 3. Таблица 3 [Table 3] Типизация выработок по устойчивости [Typing the workings on the stability] Масштаб структурных геологических нарушений The scale of the structural faults Размеры и характер взаимодействия пород The size and nature of the interaction of rocks Устойчивость горных выработок The stability of mine workings Крупные и средние разломы Large and medium faults Блоки превышают размеры выработки, заклинивание пород вне выработки Units exceed the sizes of the opening, jamming rocks production Максимальная независимо от технологических процессов Maximum independently of the technological processes Мелкие разломы и крупные трещины Small cracks and large cracks Блоки соизмеримы с размерами выработки, заклинивание пород в кровле выработки The units commensurate with the sizes of the opening, jamming of rocks in the roof of the mine working Средняя с зависимостью от технологических процессов The average dependence of technological processes Средние и мелкие трещины Medium and small cracks Мелкие блоки без заклинивания между собой Small blocks without locking with each other Минимальная всегда Minimum always Устойчивость массива обеспечивается назначением параметров, при которых напряжения в элементах системы не превышают критических и не сопровождаются критическими деформациями. Эта задача решается разделением шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки, в пределах которых могут быть применены минимизированные по затратам технологии[16]. Рис. 3. Уменьшение высоты свода обрушения разделением массива:1-выработка; 2-первичный свод естественного равновесия; 3- разделяющий массив; 4- вторичный свод естественного равновесия Fig. 3. Reducing height of the arch collapse of the separation of the array:1-development; 2-the primary set of natural balance; 3 - divide the array; 4 - secondary arch natural equilibrium Методы определения устойчивости пролетов кровли различаются в зависимости от представления о строении пород (табл.4). Таблица 4 [Table 4] Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли Methods of calculating spans of sustainable outcrops of the roof Характеристики массива Features of array Методы Methods Основные показатели Main indicators На основе классической механики On the basis of classical mechanics На основе прикладной механики On the basis of applied mechanics несущий элемент кровли bearing roof element гипотеза горного давления hypothesis of mining pressure Квазисплошной в гравитационном поле Quasispace in a gravitational field Изотропный isotropic Механика сплошной среды Continuum mechanics Плита или балка Plate or beam Свод давления В.Д. Слесарев, Свод обрушения М.М.Протодьяконов, И.М. Цимбаревич, Н.М. Покровский, и др. The pressure arch V. D. Slesarev, Arch collapse M. M. Protodyakonov, I. M. Tsymbarevich, N. M. Pokrovsky, etc. Свойства пород, анизотропия, структурное ослабление, мощность несущего элемента Properties of rocks, anisotropy, structural weakening, the power of the carrier element анизотропный anisotropic Сплошной нарушенный в грави-текто-структурном поле Solid violated in gravity-tekto-structural field Изотропный isotropic Плита или балка с трещинами Plate or beam with cracks Анизотропный anisotropic Система столбов с трещиной Posts system with crack Дискретный с грави-текто-структурным полем With discrete gravity-tekto-structural field изотропный или анизотропный isotropic or anisotropic Механика дискретной среды Mechanics of discrete environment Плита или балка Plate or beam Зоны обрушений А.А. Борисов, Свободные консоли Г.Н. Кузнецов Zone of collapses A.A. Borisov, Free console G.N. Kuznetsov Структурное ослабление, размеры отдельностей, прочность Structural weakening, sizes, strength Состояние окружающей среды в районе подземных работ корректируется целенаправленным использованием природных и технологических условий эксплуатации месторождений. Затраты на сохранение земной поверхности сокращают рациональным использованием свойств пород и закономерностей системы природно- техногенной среды [17-18]. Если в ранней истории горного дела обрушение земной поверхности при добыче минерального сырья считалось неизбежным, то в новое время развитие природоохранных тенденций породило технологии с закладкой пустот сухой, гидравлической, глиняной и, наконец твердеющей смесью. Погашение пустот твердеющей закладочной смесью характеризуется высокой стоимостью, доходящей до 2/3 себестоимости добычи, поэтому стараются применять менее затратные варианты управления массивом: обрушением вмещающих пород; изоляцией пустот; закладкой твердеющей закладочной смесью меньшей прочности и др. Погашение обрушением вмещающих пород является исторически первым способом. Значительные потери и разубоживание, а также опасность разрушения поверхности ограничивают возможность его применения при разработке месторождений, особенно ценных руд. Погашение изоляцией пустот перемычками без заполнения материалом применяют при отработке рудных тел, не оказывающей существенного влияния на земную поверхность. Минимальные потери и разубоживание, доступность для контроля и возможность корректировки параметров процессов делают его предпочтительным при отработке рудных тел малой и средней мощности. Погашение твердеющей закладочной смесью применяют при разработке мощных крутопадающих рудных тел, при одновременной отработке открытым и подземным способом, а также по экологическим соображениям. В условиях трехстороннего объемного сжатия прочность закладки увеличивается, сокращая расход дефицитных компонентов при оптимальном соотношении вертикальной нагрузки и бокового подпора. Состояние напряжений и деформаций в массиве горных пород оценивается методами разгрузки, электрометрического, гамма и акустического каротажа и др. Смещения и параметры разрушения пород измеряют визуально, маркшейдерскими и геофизическими методами. В результате развития напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг образованных пустот возникают зоны трещиноватости или нарушенности пород, характеризующихся резким снижением прочности. В зоне нарушенных скальных пород коэффициент ослабления снижается от 0,25?0,35 до 0,04…0,15. Мощность зоны ослабления вокруг выработок составляет от 0,5…2,0 м до 5…10 м. Внутри зон приконтурная зона имеет величину от 0,04…1,10 до 0,10…0,15, что по сравнению с ненарушенным массивом означает уменьшение прочности от 1,5…2,5 до 2,5…6,0 раз. Вокруг пустот формируется зона неупругих деформаций, в которых протекают пластические деформации и разрушение пород, определяющие поведение массивов. Для безопасности труда и качества добываемых руд важно, чтобы кровля выработок сохраняла плоскую форму, т. е. растягивающие и сжимающие напряжения не были критическими. Плоская форма пролета определяется способностью структурных блоков к заклиниванию в нижнем слое: , где d1 и d2 - соответственно, горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков, м; К2 - коэффициент запаса. Эта формула отличается отсутствием параметра глубины разработок: , где К - коэффициент запаса устойчивости свода: , где Lф - фактический пролет выработок. При обрушении с образованием свода земная поверхность не разрушается при условии: H' > ha = hc, где H' - фактическая глубина верхней границы пустот от границы выветренных пород и рыхлых отложений, м. При несоблюдении условия земная поверхность может быть сохранена закладкой пустот так, чтобы при уменьшенной высоте выработанного пространства условие обеспечивалось. При малых размерах структурных блоков высота обрушения определяется коэффициентом разрыхления пород: , где hос - высота зоны опасных сдвижений, м; V - объем пустот, м3; Sпл - площадь выработанного пространства в плане, м2; Кр - коэффициент разрыхления пород; к' - коэффициент, равный 1,5. Таблица 5 [Table 5] Классификация способов погашения пустот [Classification of repayment options voids] Тип [Type] Вариант [Option] Геомеханические условия [Geomechanical conditions] Изоляция пустот сооружениями с предотвращением движения людей и воздушных потоков [Insulation cavities of buildings to prevent the movement of people and air flow] Изолирующими перемычками из дерева, бетона, железо - бетона и т.п. Insulating bridges made of wood, concrete, iron - concrete, etc. Создание плоской кровли из самозаклинившихся пород Creating a flat roof from rocks Породными завалами, образованными взрыванием кровли и боковых пород сооружаемыми из насыпного материала Rock rubble formed by blasting roof and sides of rocks were constructed from bulk material Обрушение пород The collapse of the rocks Принудительное обрушение буро-взрывными работами вместе с рудой или впоследствии на открытую камеру Forced collapse of Buro-explosive works together with the ore or subsequently, open chamber Способность пород обрушаться без самозаклинивания Управляемое обрушение вместе с рудой или впоследствии на открытую камеру [Controlled collapse together with the ore or subsequently, open chamber] С закладкой With bookmark Твердеющими смесями послойно или в обнаженную камеру [Hardening mixtures in layers or in naked camera] Твердые руды и породы без ограничений Hard ores and rocks without restrictions Сыпучими материалами в обнаженную камеру сухими или гидравлическими Hardening of the mixture on the layers or the bare camera Комбинированные способы, сочетающие различные процессы Combined methods, combined processes Перепуск пород извне вместе с рудой или на открытую камеру [Bypass rocks from outside along with the ore or the open chamber] Выбор варианта для твердых руд и пород по преобладающему количеству признаков без ограничений The choice of option for hard ores and rocks in the prevailing number of features without restrictions Хвостами подземного выщелачивания без разделения или с разделением на этажи, с разделением искусственными массивами Tails leaching without separation or division into floors, with the division of artificial arrays Сочетание способов изоляции и закладки твердеющими смесями: пустоты в массивах или искусственные массивы в пустотах The combination of methods of isolation and bookmarks hardening mixtures: the void in arrays or arrays in artificial cavities Сочетание способов с закладкой и хвостами ПВ без разделения по восстанию, с разделением искусственными массивами The combination of modes with the tab and tails of PV without separation by rebellion, division artificial arrays Анализ практики погашения пустот показывает: - погашение обрушением пород утрачивает свои позиции в связи с развитием природо-сберегающих тенденций; - погашение изоляцией применяют в качестве вспомогательного способа в качестве субъекта комбинирования технологий; - область применения погашения закладкой твердеющими смесями ограничивается дефицитом вяжущих и качественных заполнителей; - степень оптимальности технологий погашения определяется полнотой знаний о закономерностях управления массивами на геомеханической основе. Если в качестве критерия эффективности погашения принимать себестоимость погашения в расчете на 1 м3 погашенных пустот, наиболее выгодным представляется обрушение пород с разрушением земной поверхности. Обрушение связано с разрушением массива и земной поверхности, потерей и снижением качества сырья. Действительная ценность отвлекаемых у сельского хозяйства земель не адекватна стоимости, которая выплачивается в качестве компенсации. Стоимость металлов изменяется с конъюнктурой, особенно стратегических, энергетических и редкоземельных. Поэтому в качестве критерия оптимальности погашения ранее существовавший показатель целесообразно дополнить величиной наносимого горными работами ущерба окружающей среде и затрат на реабилитацию живого вещества в зоне влияния горных предприятий. Способы управления массивом погашением типизированы нами по принципу состояния выработанного пространства после погашения, что отличает предложенную классификацию от известных классификаций систем разработок по состоянию во время очистной выемки (табл. 5). Перспективы освоения рудных месторождений состоят в создании единого проекта добычи запасов открытыми, подземными и специальными способами добычи, взаимоувязанными во времени и пространстве и оптимизированными по эколого-экономическим критериям. Целью такого проекта становится не только прибыль от извлечения запасов месторождения, но и применения таких технологий управления массивом, чтобы совокупный доход от освоения месторождения был максимальным. Технико-экономическая и эколого-социальная эффективность технологий определяется успехом регулирования уровня напряжений и вовлечения в производство новых материалов для приготовления закладочных смесей [19-20]. Проблемы эффективной разработки месторождений полезных включают в себя повышение полноты освоение недр и рациональное использование подземного пространства. Прирост добычи минералов не должен увеличивать объемов извлекаемой на поверхность горнорудной массы, поэтому наиболее перспективны способы выщелачивания металлов из руд в подземных условиях. Выводы 1.Геомеханическая сбалансированность дискретных породных сред обеспечивается за счет остаточной несущей способности природно и технологически разрушенных пород и корректируется технологией разработки. 2.Задача профилактики критических напряжений и соответствующих им деформаций решается разделением шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки с плоской кровлей, в пределах которых могут быть применены минимизированные по затратам технологии. 3.Критерий оптимальности погашения целесообразно дополнить величиной компенсации наносимого горными работами ущерба окружающей среде

Об авторах

ЮРИЙ ИВАНОВИЧ РАЗОРЕНОВ

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГТУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: info@skgmi-gtu.ru

доктор технических наук, профессор, ректор, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГТУ). Научные интересы: разработка месторождений полезных ископаемых, экономико-математические модели, оценка эффективности, проектирование, добыча, способы разработки

Россия, 362021, Россия, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44

БОРИС ВИТАЛИЕВИЧ ДЗЕРАНОВ

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГТУ)

Email: dzboris@gmail.com

кандидат геолого-минералогических наук, ассистент кафедры «Прикладная геология», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (СКГТУ). Научные интересы: геотектоника, оценка сейсмической опасности, детальное сейсмическое районирование

Владикавказ, 362021, Россия, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44

Список литературы