Комплексное геомеханическое моделирование разработки жильных месторождений блочного строения

Н.Е. Мороз¹, Д.В. Сидоров², М.А. Соннов^3
1 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
² ООО «Полигор», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
³ ООО «Фидесис», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2023 стр. 71-74

Резюме: Разработка жильных месторождений, сформированных в блочных структурах, требует учета влияния деформационных процессов, происходящих в результате изменения природно-техногенного состояния массива горных пород. Информация о величинах и направлениях напряжений, действующих в блочном массиве, является граничными условиями, учитываемыми в дальнейших расчетах напряженно-деформированного состояния и устойчивости конструктивных элементов подземной геотехнологии. Для эффективной оценки естественного напряженного состояния тектонически нарушенного массива, сопряженной с необходимостью численного моделирования геомеханического состояния тектонических структур, распространенных на значительных площадях, принято специализированное ПО «PRESS 3D URAL» (ООО «Полигор», г. Санкт-Петербург) в пространственной постановке. При этом благодаря элементам залегания и морфологии рудных жил для локальной оценки концентраций напряжений в окрестности горных выработок и целиков, формирующихся в результате ведения горных работ, целесообразно применение ПО «CAE Fidesys» (ООО «Фидесис», г. Москва) в плоской постановке.

Ключевые слова: жильное месторождение, тектоническое строение, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование, геодинамическое районирование, прогноз удароопасности

Для цитирования: Мороз Н.Е., Сидоров Д.В., Соннов М.А. Комплексное геомеханическое моделирование разработки жильных месторождений блочного строения. Горная промышленность. 2023;(6):71–74. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-6-71-74

Информация о статье

Поступила в редакцию: 03.10.2023

Поступила после рецензирования: 27.11.2023

Принята к публикации: 04.12.2023

Информация об авторах

Мороз Никита Евгеньевич – аспирант, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Сидоров Дмитрий Владимирович – доктор технических наук, действительный член Академии горных наук, заместитель генерального директора по научной работе, ООО «Полигор», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Соннов Максим Александрович – действительный член Академии горных наук, заместитель генерального директора по продажам, ООО «Фидесис», г. Москва, Российская Федерация; e-mail Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Разработка жильных месторождений, сформированных в блочных структурах, требует учета влияния деформационных процессов, происходящих в результате изменения природно-техногенного состояния массива горных пород.

Это связано с тем, что исходное напряженное состояние блочного массива горных пород, обусловленное действием двух независимых гравитационного и тектонического силовых полей, оказывает дополнительное влияние к техногенным нагрузкам от ведения горных работ. При этом информация о величинах и направлениях напряжений, действующих в блочном массиве, является граничными условиями, учитываемыми в дальнейших расчетах напряженно-деформированного состояния и устойчивости конструктивных элементов подземной геотехнологии [1–8]. Особую актуальность учет природно-техногенного напряженного состояния приобрел при оценке склонности месторождений к горным ударам, требуемой ФНИП России («Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых: федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности, утв. приказом №505 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 08.12.2020 г. URL: http://www.gosnadzor.ru/industrial/mining/acts/general/  (дата обращения: 8 декабря 2020 г.).

Наличие тектонических разрывов, разделяющих горный массив на блоки пород, означает нарушение непрерывности поля напряжений в блочном массиве и разделение его на участки, состоящие из одного или нескольких блоков более или менее однородным уровнем напряженности для данного ранга блоков. Для эффективной оценки естественного напряженного состояния тектонически нарушенного массива, сопряженной с необходимостью численного моделирования геомеханического состояния тектонических структур, распространенных на значительных площадях, целесообразно использовать специализированное ПО «PRESS 3D URAL» (ООО «Полигор», г. Санкт-Петербург), базирующееся на реализации метода граничных интегральных уравнений (МГИУ) в пространственной постановке и предназначенное для количественного определения величины тектонической составляющей природного поля напряжений с ее дифференциацией в границах месторождений при проведении геодинамического районирования и обосновании проектных решений в части выбора параметров конструктивных элементов разработки месторождений полезных ископаемых [9; 10]. Это связано с тем, что основная особенность задач о системах взаимодействующих блоков связана с необходимостью учета значительного числа границ (контактов). При количественном описании тектонических нарушений месторождений рекомендуется пользоваться классификацией ВНИМИ, в основу которой по¬ложен характер распределения напряжений у плоскости сместителя как наиболее универсальный и определяющий фактор.

В «сплошных» зонах при выдержанных элементах залегания и морфологии рудных жил, в том числе при наличии полостей неправильной формы и сложной конфигурации расчетной области в разрезе, наиболее эффективно применение метода конечных элементов в плоской постановке [11]. Для решения подобных задач принято ПО «CAE Fidesys» (ООО «Фидесис», г. Москва).

Таким образом, статья посвящена рассмотрению процессов моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) разрабатываемого блочного массива горных пород с комплексным использованием МГИУ в областях, в которых наблюдается нарушение сплошности среды, а в «сплошных» зонах – с использованием МКЭ. Материал данной статьи развивает тематику совместного применения ПО «PRESS 3D URAL» и ПО «CAE Fidesys» для решения смешанных геомеханичеcких задач [12].

Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) с использованием МГИУ в областях, в которых наблюдается нарушение сплошности среды

Рассмотрим основные этапы численного моделирования для оценки естественного поля напряжений типичного жильного месторождения блочного строения, включающие формирование тектонической схемы путем выделения линеаментов, расчет длины между узлами линеаментов, построение ширины зоны геодинамического влияния каждого линеамента (рис. 1), привязку расчетных областей к координатам, формирование сетки расчетных элементов, выполнение и получение результатов расчёта максимальных концентраций горизонтальных сжимающих напряжений и построение роз-диаграмм максимальных горизонтальных (тектонических) сжимающих напряжений (рис. 2).

 Рис. 1 Выделение линеаментов, расчет длины между узлами, построение ширины зоны геодинамического влияния каждого линеамента

Fig. 1 Selection of linear structures, calculation of the distance between the nodes, plotting the width of the geodynamic impact zone of each linear structure

Анализ полученных результатов (см. рис. 2) показывает, что концентрации максимальных горизонтальных напряжений от влияния тектонических нарушений варьируются от 0,3γН (светло-зеленый цвет легенды) до 0,9γН (синий цвет легенды).

Рис. 2 Результаты расчета величин и направлений действующих максимальных горизонтальных (тектонических) сжимающих напряжений

Fig. 2 Results of calculating the values and directions of the acting maximum horizontal (tectonic) compressive stresses

Таким образом, максимальным главным напряжением является гравитационное, действующее в вертикальном направлении. При этом максимальные горизонтальные (тектонические) сжимающие напряжения в пределах северной, северо-восточной, центральной и юго-восточной частей горного отвода преимущественно действуют в меридиональном направлении.

В восточной части месторождения вектор действующих напряжений меняется с меридионального на широтное направление. В остальных частях месторождения отмечаются две генеральные системы – меридиональная и широтная. Минимальные напряжения σ₃ составляют 0,25γН и действуют по нормали к σ₂.

Окончательно в качестве граничных условий к численным расчетам с применением МКЭ принимаются следующие значения: вертикальные (гравитационные) сжимающие напряжения σ1 = γН; горизонтальные (тектонические) сжимающие напряжения: максимальные σ₂ = 0,6γН; минимальные σ₃ =0,25γН.

Моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) с использованием МКЭ в «сплошных» зонах среды

Для проведения численных расчетов была построена плоская модель глубиной от поверхности 350 м, отражающая «усреднённую» горно-геологическую ситуацию, что является достаточным для оценки характера распределения напряжений вокруг извлекаемых рудных тел. Границы расчётной области заданы с учетом принципа Сен-Вена на достаточном расстоянии для обеспечения достаточной точности расчета. Плотность породной закладки определялась как плотность в насыпке с учетом средней естественной плотности рудопородного массива и коэффициента разрыхления равного 1,5. Обрушенный массив горных пород (породная закладка) приобретает свойства сыпучей среды (повышается коэффициент Пуассона до 0,35), но также и сохраняет часть упругих свойств.

Рис. 3 Модель и результаты расчета напряженного состояния массива горных пород при развитии горных работ

Fig. 3 Model and results of calculating the stress state of the rock mass during the progress of mining operations

Принимая во внимание рекомендации проф. К.В. Руппенейта, эквивалентный модуль упругости обрушенной горной массы принимали равным 0,01 от модуля упругости нетронутого рудопородного массива [13]. Расчетная схема и этапы моделирования основных циклов отработки, включающих подготовку к отбойке камеры с пройденным подэтажным штреком, отбитую камеру, заложенную камеру с подэтажным штреком и в завершение полностью отработанный и заложенный этаж, приведены на рис. 3. Согласно результатам численного моделирования отработка запасов не сопровождается значительным ростом сжимающих напряжений, способных к проявлению горного давления в динамической форме. Данный факт обусловливается несколькими факторами: небольшая глубина ведения горных работ (350 м), крутое падение рудных тел (в среднем 70 град), а также применяемые бесцеликовые системы разработки (камерная и слоевая). При этом расчетный коэффициент удароопасности, равный 0,3, не превышает критического 0,8, что характеризует месторождение как не опасное по горным ударам.

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения комплексного геомеханического моделирования разработки жильных месторождений блочного строения с совокупным применением метода граничных интегральных уравнений (МГИУ) и метода конечных элементов (МКЭ) при решении класса задач, связанных с определением напряженно-деформированного состояния тектонически нарушенного массива горных пород, осложненного проведением горных выработок.

Список литературы

1. Simser B.P. Rockburst management in Canadian hard rock mines. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019;11(5):1036–1043. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.07.005

2. Clark M.D., Day J.J. Mineralogical and sample selection implications for geomechanical properties of intact heterogeneous and veined rocks from the Legacy skarn deposit. Engineering Geology. 2021;285:106067. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106067

3. Shang J. Stress path constraints on veined rock deformation. Rock Mechanics Bulletin. 2022;1(1):100001. https://doi.org/10.1016/j.rockmb.2022.100001

4. Айнбиндер И.И., Овчаренко О.В. Исследования потенциальной удароопасности массива горных пород на проектируемых глубинах отработки месторождения «Валунистое». Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(6):35–45. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_6_0_35

5. Авдеев А.Н., Сосновская Е.Л. Обоснование рациональных параметров систем разработки наклонных жил малой и средней мощности при изменении криоусловий. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2022;(2):157–168.

6. Головченко Ю.Ю., Лепехин И.С., Румянцев А.Е., Соннов М.А., Трофимов А.В. Разработка численных геомеханических моделей с различной степенью детализации на примере шахты «Ангидрит» рудника «Кайерканский». Горная промышленность. 2023;(4):79–88. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-4-79-88

7. Калмыков В.Н., Кульсаитов Р.В., Штыкова М.Н. Геомеханические и геодинамические особенности состояния горных работ при освоении Кочкарского месторождения золота. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2020;(1):401–409. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2020-1-1-401-409

8. Умаров А.Р., Еременко В.А. Развитие вторичного поля напряжений в условиях применения каркасной горной конструкции. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(4):77–92. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_4_0_77

9. Сидоров Д.В., Пономаренко Т.В. Методология оценки геодинамического состояния природно-техногенных систем при реализации проектов освоения месторождений. Горный журнал. 2020;(1):49–52. https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.09

10. Сидоров Д.В., Потапчук М.И., Сидляр А.В. Прогнозирование удароопасности тектонически нарушенного рудного массива на глубоких горизонтах Николаевского полиметаллического месторождения. Записки Горного института. 2018;234:604–611. https://doi.org/10.31897/PMI.2018.6.604

11. Мороз Н.Е., Белова М.В., Рукавишников Г.Д. Прогнозирование напряженных зон на различных этапах отработки золоторудного месторождения. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2021;(8):72–81. Режим доступа: https://www.miningscience.ru/archive/2021/8-2021/2021-8-8

12. Мороз Н.Е., Сидоров Д.В., Соннов М.А. Применение цифровых двойников для прогнозной оценки удароопасности надштрековых целиков. Горная промышленность. 2022;(3):93–98. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-3-93-98

13. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М.: Недра; 1975. 223 с.