Определение безопасных пролетов выработок с использованием несущей способности пород при разработке месторождений
В.И. Голик
Московский государственный политехнический университет, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №5S / 2024 стр.59-63
Резюме: Статья посвящена совершенствованию методов расчета параметров горных выработок путем учета прочности пород и величины природно-техногенных напряжений. Актуальность исследования данного направления определяется тем, что завышение надежности расчетов увеличивает неактивные запасы, а занижение – повышает опасность работ. Корректность определения устойчивости параметров обнажений пород повышается при использовании феномена самозаклинивания пород при обнажении. Допустимые параметры очистных выработок определяются на основании обобщения существующих концепций, в том числе М.М. Протодьяконова, в соответствии с которой на выработку действует только масса заключенных в пределах свода пород. Дана справка о состоянии горнодобывающей отрасли России. Приведены результаты исследований устойчивости рудовмещающих породных массивов с детализацией возможности сохранения пролета кровли плоской формы при отработке маломощных пологопадающих рудных тел. Определена взаимосвязь пролета выработки бесконечной длины, высоты свода естественного равновесия над ней и инженерно-геологических свойств пород. Приведен пример инженерно-геологического исследования рудовмещающего массива с графической интерпретацией. Разработан алгоритм определения безопасных параметров управления состоянием массива. Доказано, что при формировании напряжений в зоне выработок приоритетную роль играют горизонтальные напряжения, а управление состоянием массива заключается в реализации остаточной несущей способности пород путем ограничения величины пролетов. Сделан вывод, что определение размеров выработок пород по совмещенным критериям прочности пород и величины напряжений позволяет повысить безопасность работающих и уменьшить разубоживание руд породой. Результаты исследования могут быть востребованы при подземной добыче твердого минерального сырья.
Ключевые слова: месторождение, породный массив, выработанное пространство, пролеты, безопасность
Для цитирования: Голик В.И. Определение безопасных пролетов выработок с использованием несущей способности пород при разработке месторождений. Горная промышленность. 2024;(5S):59–63. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-59-63
Информация о статье
Поступила в редакцию: 17.08.2024
Поступила после рецензирования: 08.10.2024
Принята к публикации: 16.10.2024
Информация об авторе
Голик Владимир Иванович – доктор технических наук, профессор кафедры металлургии, Московский политехнический университет, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-1181-8452; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Состояние горнодобывающей отрасли России характеризуется снижением объема добываемых руд в первую очередь за счет выбывания из числа действующих месторождений с выработанными запасами. Проблема модернизации технологий подземной разработки приобретает новую актуальность, особенно при разработке месторождений, залегающих на небольшой глубине в сложных горнотехнических условиях. Поведение рудовмещающего массива определяется характером оруденения и интенсивностью напряжений и деформаций, поэтому совершенствование технологий разработки маломощных рудных тел осуществляется с учетом взаимодействия участвующих факторов. Часть пологих месторождений малой и средней мощности отрабатывается технологиями с погашением выработанного пространства изоляцией с риском для земной поверхности.
При подземной разработке месторождений управление горным давлением включает в себя ограничение размеров выработок. Сложность учёта происходящих в массиве явлений стимулирует завышение коэффициента надежности определения величины удерживающих и разрушающих сил, генерируемых природными и технологическими нагрузками.
Управление состоянием массива сводится к регулированию гравитационных, тектонических и сейсмических явлений, поэтому совершенствование системы управления может быть достигнуто в результате оптимизации форм взаимодействия физико-химических процессов. Завышение надежности расчета прочности несущих элементов массива снижает экономическую эффективность добычи руд, а занижение опасно, поэтому оптимизация величины пролетов обнажения пород является актуальной задачей. Устойчивость обнажений пород в кровле очистных блоков обуславливается интенсивностью и характером развития в породах кровли субпараллельных рудным телам нарушений.
Многообразие геологических и горнотехнических условий локализации месторождений обусловило применение при отработке запасов комбинированных систем разработки: подэтажного обрушения для мощной части рудного тела, с магазинированием для маломощных участков рудного тела и сплошной – для секущих рудных тел и др. Целью исследований является совершенствование методики расчета допустимых пролетов обнажений пород по совмещенным критериям прочности пород и величине действующих природно-техногенных напряжений.
Задачи исследований включают в себя оценку влияния участвующих факторов в конкретных условиях месторождения и разработку методики определения безопасных обнажений пород. Снижение опасности горных работ возможно при уменьшении объема выработанного пространства за счет увеличения извлечения металлов из уже добытых руд и хвостов их первичной переработки при использовании новых технологий [1–3].
Методы
Допустимые параметры выработок определяются на основе обобщения теории и практики в альтернативных концепциях, различающихся приоритетным признаком устойчивости: свод пород, балка пород, слой пород и шарнирная арка из заклинившихся пород. Натурными исследованиями определяются нарушенность пород макро- и микротрещинами, размеры структурных блоков и физикомеханические свойства. Аналитическими расчетами исходя из условия самозаклинивания пород при обнажении определяются устойчивые параметры обнажений пород. Состояние рудовмещающего массива и устойчивость образованных в них горных выработок контролируются методами геомеханического мониторинга состояния горных пород на этапах разработки месторождений [4–5].
Результаты
Два шарнира расположены в основаниях свода, а третий – в центре слоя пород над выработкой. При нарушении продольными и диагональными разломами арка не образуется вследствие недостаточной силы распора. Потеря несущей способности слоя пород наступает при скалывании и разрушении площадки, высотой примерно 1/3 размера структурного блока.
При отработке маломощных пологопадающих рудных тел расчет параметров обнажений пород сводится к определению эквивалентного пролета кровли прямоугольной выработки:
где Lf – фактической пролет кровли выработки, м; L0f – допустимый пролет обнажения плоской кровли при данном наклоне выработки, м.
Связь между предельно допустимыми эквивалентными пролетами пород кровли выработок в рудных телах с углами падения α и 0° выражается зависимостью:
где L0 – предельный эквивалентный пролет пород кровли горизонтальной выработки; Kα– коэффициент учета угла наклона выработки:
где α – угол падения рудного тела, град; η – коэффициент бокового распора:
где μ – коэффициент Пуассона.
Если ширина выработки с плоской кровлей превысит ее допустимое значение, породы обрушаются, а кровля приобретает сводообразную форму и работает как параболическая трехшарнирная арка (рис. 1).
Рис. 1 Схема взаимодействия структурных блоков пород кровли
Fig. 1 The scheme of interaction of structural blocks of roof rocks
Пролет бесконечной длины выработки l, высота свода естественного равновесия над ней harch и инженерногеологические характеристики массива связаны между собой:
где Rcompr – прочность пород при одноосном сжатии, Па;
kw – коэффициент структурного ослабления пород;
d2 – вертикальный размер структурного породного блока, м;
γ – плотность пород, кг/м3;
harch – высота свода естественного равновесия, м;
L0 – допустимый пролет плоской кровли выработки бесконечной длины;
k3 – коэффициент запаса.
Для расчетов допустимых пролетов очистных выработок в каждом конкретном случае выполняется комплекс инженерно-геологических исследований свойств пород (табл. 1).
Таблица 1 Инженерно-геологическая характеристика рудовмещающего массива
Table 1 Engineering and geological characteristics of the ore–bearing rock mass
Расчеты предельно-допустимых обнажений плоской кровли интерпретируются графиками зависимости допустимого эквивалентного пролета обнажения плоской кровли от угла падения рудного тела и глубины залегания (рис. 2).
Рис. 2 Зависимость предельно- допустимого пролета плоской кровли от глубины разработки H и угла падения рудного тела α
Fig. 2 Dependence of the maximum permissible span of a flat roof ( ) on the mining depth (H) and the dip angle of the ore body (α)
По предельно допустимому эквивалентному пролету плоской кровли определяются параметры выработки с использованием алгоритма (рис. 3).
Рис. 3 Алгоритм определения безопасных параметров управления состоянием массива
Fig. 3 Algorithm for determining safe parameters to control the rock mass state
В трещиноватых скальных породах структурные блоки смещаются в выработанное пространство, а кровля принимает форму свода, которая нежелательна из-за повышенного разубоживания руд. Для исследования состояния массивов применяют методы, базирующиеся на: измерении деформаций и расчете по ним напряжений; измерении давления; определении с помощью корреляционных зависимостей и др. (табл. 2).
Таблица 2 Методы исследования свойств пород
Table 2 Methods of studying the properties of rocks
Динамика напряжений, оценка опасности критических деформаций, исследование реактивации разломов, вызванных горными работами, оцениваются средствами геолого-геофизического сопровождения горных работ [6–9]. Если кровлю рассматривать как плиту, опертую на целики или защемленную по контуру, то ограниченную по контуру выработку можно заменить эквивалентной выработкой бесконечно большой длины, где кровля выработок сохраняет плоскую форму.
Эквивалентный пролет выработки l:
где а и b – соответственно длина и ширина камеры, м. Плоская форма пролета обнажения кровли возможна при самозаклинивании структурных блоков:
где L – предельный пролет плоской формы обнажения пород кровли, м;
d1 – горизонтальный размер структурных блоков, м;
d2 – вертикальный размер структурных блоков, м;
R – предел прочности пород на сжатие, МПа;
K2 – коэффициент запаса;
γ – объемный вес пород, т/м3.
Если в кровле находится часть рудопроводящего шва, которая ведет себя как отслаивающаяся пачка, – способность к самозаклиниванию снижается.
Допустимый пролет непосредственной кровли плоской формы L:
где d2 – вертикальный размер структурного блока пород непосредственной кровли, м;
b – мощность непосредственной кровли, м.
Обсуждение результатов
Безопасные пролеты выработок с использованием несущей способности дискретных пород обосновываются решением математической модели, описывающей устойчивые параметров при приемлемых условиях освоения геологических ресурсов в рамках концепции экологически сбалансированной геотехнологии [10–12].
При формировании напряжений в зоне выработок приоритетную роль играют горизонтальные напряжения. Управление напряжением в нарушенных породах состоит в реализации остаточной несущей способности пород путем ограничения величины пролетов.
Геомеханическая сбалансированность массива обеспечивается разделением массивов на участки, для которых удовлетворяются условия:
а внутри участков – на пролеты с плоской кровлей, где H и h – глубина работ от поверхности и высота зоны влияния выработок, м; Llim – предельный по условию сохранения плоской кровли пролет.
Заключение
Совершенствование методики расчета допустимых пролетов обнажений пород по совмещенным критериям прочности пород и величины напряжений позволяет повысить безопасность работающих и уменьшить разубоживание руд породой.
Список литературы
1. Brigida V.S., Golik V.I., Klyuev R.V., Sabirova L.B., Mambetalieva A.R., Karlina Yu.I. Efficiency gains when using activated mill tailings in underground mining. Metallurgist. 2023;67(3-4):398–408. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01526-z
2. Golik V.I., Klyuev R.V., Martyushev N.V., Zyukin D.A., Karlina A.I. Prospects for return of valuable components lost in tailings of light metals ore processing. Metallurgist. 2023;67(1-2):96–103. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01493-5
3. Golik V.I., Klyuev R.V., Martyushev N.V., Zyukin D.A., Karlina A.I. Technology for nonwaste recovery of tailings of the mizur mining and processing plant. Metallurgist. 2023;66(11-12):1476–1480. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01462-y
4. Ляшенко В.И. Развитие геомеханического мониторинга свойств и состояния массива горных пород при подземной разработке месторождений сложной структуры. Маркшейдерский вестник. 2016;(1):35–43. Lyashenko V.I. Development of geomechanical monitoring of properties and the condition of the massif of rocks by underground mining of fields of difficult structure. Mine Surveying Bulletin. 2016;(1):35–43. (In Russ.)
5. Рыбак Я., Хайрутдинов М.М., Конгар-Сюрюн Ч.Б., Тюляева Ю.С. Ресурсосберегающие технологии освоения месторождений полезных ископаемых. Устойчивое развитие горных территорий. 2021;13(3):405–415. Rybak Ya., Khayrutdinov M.M., Kongar-Syuryun Ch.B., Tyulyayeva Yu.S. Resource-saving technologies for development of mineral deposits. Sustainable Development of Mountain Territories. 2021;13(3):405–415. (In Russ.)
6. Lei Q., Gao K. A numerical study of stress variability in heterogeneous fractured rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019;113:121–133. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.12.001
7. Vanneschi C., Mastrorocco G., Salvini R. Assessment of a rock pillar failure by using change detection analysis and FEM modelling. International Journal of Geo-Information. 2021;10(11):774. https://doi.org/10.3390/ijgi10110774
8. Xia K., Chen C., Wang T., Yang K., Zhang C. Investigation of mining – induced fault reactivation associated with sublevel caving in metal mines. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022;55(10):5953–5982. https://doi.org/10.1007/s00603-022-02959-9
9. Tu J., Zhang Y., Mei G., Xu N. Numerical investigation of progressive slope failure induced by sublevel caving mining using the finite difference method and adaptive local remeshing. Applied Sciences. 2021;11(9):3812. https://doi.org/10.3390/app11093812
10. Петров Ю.С., Соколов А.А., Раус Е.В. Математическая модель оценки техногенного ущерба от функционирования горных предприятий. Устойчивое развитие горных территорий. 2019;11(4):554–560. Petrov Yu.S., Sokolov A.A., Raus E.V. A mathematical model for estimating technogenic losses from the operation of mining enterprises. Sustainable Development of Mountain Territories. 2019;11(4):554–560. (In Russ.)
11. Kulikova E.Yu., Balovtsev S.V., Skopintseva O.V. Geoecological monitoring during mining operations. Sustainable Development of Mountain Territories. 2024;16(2):580–588. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-2-580-588
12. Гончар Н.В., Пикалов В.А., Соколовский А.В., Терешина М.А. Экологосбалансированная геотехнология освоения природных и техногенных георесурсов. Горная промышленность. 2024;(4):68–73. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-68-73 Gonchar N.V., Pikalov V.A., Sokolovsky A.V., Tereshina M.A. Environmentally balanced geotechnology for development of natural and man-made geological resources. Russian Mining Industry. 2024;(4):68–73. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-68-73
