К оценке геомеханических особенностей разработки месторождений твердых полезных ископаемых
В.И. Голик
Московский политехнический университет, г. Москва, Российская Федерация
Russian Mining Industry №5/ 2025 p. 28-31
Резюме: Введение. В статье дан анализ влияния природных и техногенных факторов на состояние рудовмещающих массивов при разработке твердых полезных ископаемых подземным способом. Показано, что учет геодинамики массива является важным фактором эффективности функционирования горных предприятий, а уровень напряжений может корректироваться на этапах разработки месторождений. Среди актуальных методов управления производством минерального сырья приоритетом пользуется концепция геодинамического районирования месторождения в процессе разработки с совмещением функций пригружающего и несущего элементов массива в рамках геомеханической системы. Целью статьи является развитие концепции ресурсосберегающего геопользования при добыче твердых полезных ископаемых подземным способом. Методы. Обобщение и анализ исследований, эксперименты, моделирование и инженерное прогнозирование с использованием методов математической статистики и информационных технологий. Результаты. Дан анализ критериев сохранности земной поверхности при горных работах как гаранта безопасности разработки месторождений. Показано, что горные выработки находятся в поле напряжений и перемещений, вызванных совокупным воздействием естественных и техногенных факторов. Определено, что породы при подработке образуют устойчивые системы из естественно заклинивающихся структурных отдельностей и такие системы можно создавать инженерными решениями: созданием искусственных массивов, разделением рудного поля на безопасные участки и др. Приведена типизация методов расчета устойчивых пролетов обнажений кровли горных выработок на время окончания погашения выработанного пространства. Отмечено, что хвосты блокового подземного выщелачивания руд за счет природных вяжущих веществ могут приобретать прочность до 1 МПа и участвовать в управлении горным давлением. Предложенный критерий надежности технологий погашения выработанного пространства оценивается соотношением объемов выемки руд и твердеющей закладки. Установлено, что перевод динамических явлений в массиве в статические осуществляется разгрузкой его от критических напряжений. Выводы. Учет геомеханического состояния участка земной коры участвует в решении задач горного производства: безопасность горных работ, качество добытой руды и экономические показатели.
Ключевые слова: полезные ископаемые, подземный способ, массив, выщелачивание золота, природные напряжения, техногенные напряжения, геомеханика
Для цитирования: Голик В.И. К оценке геомеханических особенностей разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Горная промышленность. 2025;(5):28–31. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-5-28-31
Информация о статье
Поступила в редакцию: 29.05.2025
Поступила после рецензирования: 09.07.2025
Принята к публикации: 10.07.2025
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 современного горного производства характеризуется поиском резервов увеличения объемов добычи минерального сырья, в том числе за счет использования отходов традиционного передела металлосодержащих руд [1–3].
Среди современных методов, методик и технических средств управления производством минерального сырья приоритетом пользуется концепция геодинамического районирования месторождения в процессе разработки и погашения выработанного пространства [4; 5].
Разработка месторождений подземным способом требует совмещения функций пригружающего и несущего элементов массива в рамках геомеханической системы. Протекающие в недрах геомеханические процессы действуют одновременно и требуют комплексных решений, наиболее характерными из которых являются установление закономерностей напряженно-деформированного состояния рудовмещающих массивов и выявление механизма влияния подземного выработанного пространства на земную поверхность [6–8].
Способы управления состоянием массивов, позволяющие при минимальных затратах обеспечить высокое качество и полноту извлечения руды из недр, нуждаются в совершенствовании и формируют в совокупности важную и актуальную проблему. Развитие природоохранных и ресурсосберегающих технологий подземной добычи руд связано с поведением рудных массивов при разработке месторождений.
В ряде случаев безопасность подземной добычи руд определяется в первую очередь геодинамикой массива. В качестве критерия безопасности технологии принято условие сохранности земной поверхности, определенное работами В. Риттера, М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, А.А. Борисова и др.
В разрабатываемом массиве возникают породные конструкции, прочность которых и определяет уровень безопасности разработки месторождений. В результате действия силовых полей у разломов и очистных выработок формируются зоны активизации напряжений с разрушением пород. Горные выработки и технологические сооружения в них находятся в поле напряжений и перемещений, вызванных совокупным воздействием естественных и техногенных факторов.
Учет напряженности пород при погашении запасов второй очереди, выемке целиков и освоении новых технологий в период перехода к концепции обрушения пород и критерию устойчивости выработок в виде свободного пролета рекомендуется в качестве важного фактора управления напряжениями в природных и искусственных массивах [9; 10].
Исследованию изменчивости напряжений в гетерогенных трещиноватых породах и корректировке поведения массива заполнением выработанного пространства твердеющими смесями посвящены работы зарубежных специалистов данного направления горного дела [11; 12].
Целью исследования является детализация концепции природоохранного и ресурсосберегающего геопользования при добыче твердых полезных ископаемых подземным способом.
Методы
Для решения поставленных задач используют обобщение и анализ исследований, эксперименты, моделирование и инженерное прогнозирование с использованием методов математической статистики и информационных технологий.
Результаты
Слагающие массив породы при подработке могут образовывать устойчивые системы при условии естественного заклинивания структурных отдельностей между собой. Несущая способность пород корректируется в процессе развития работ упрочнением пород, созданием искусственных массивов, разделением рудного поля на безопасные участки и другими инженерными мерами (рис. 1–3).
Рис. 1 Наклон закладочного массива на руду
Fig. 1 Resting the stowing against the ore mass
Рис. 2 Опережающая отработка с закладкой твердеющими смесями
Fig. 2 Advanced mining with consolidating stowing
Рис. 3 Упрочение рудовмещающих пород анкерами
Fig. 3 Reinforcement of the orebearing rocks with rock bolts
При отделении пород от массива породы ведут себя как жесткие тела с упругим контактированием в режиме хрупких деформаций. Условие прочности заклинивания системы описывается моделью:
где σп – природные напряжения, МПа; σт – техногенные напряжения, МПа; σсж – предельные напряжения, МПа; Lmax – максимальный пролет плоской формы кровли, м; Lmin – минимальный пролет плоской формы кровли, м; х1…хn – свойства пород.
Напряжения заклинивания пород определяются силой распора:
где σр – напряжение распора пород над выработкой, м. Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли могут быть типизированы по типу массива (табл. 1). Способы управления массивом погашением классифицируют по принципу состояния выработанного пространства на время окончания погашения.
Таблица 1 Типизация методов расчета устойчивых пролетов обнажений кровли
Table 1 Types of the methods to calculate stable spans of roof exposures
Оставление выработанного пространства незаполненным менее затратно, но возможное обрушение налегающих пород и отчуждение земель от пользования ограничивает область применения способа.
Основным препятствием способа закладки твердеющими смесями является высокая стоимость закладочных материалов, достигающая 2/3 расходов на добычу руд. Хвосты блокового подземного выщелачивания руд за счет природных вяжущих веществ могут приобретать прочность до 1 МПа.
Опасности технологий погашения выработанного пространства оцениваются по соотношениям объемов выемки руд и материала заполнения:
где Vз – объем заполнения горных выработок, м3; Vо – объем горных выработок, м3.
Перевод динамических явлений в массиве в статические осуществляется разгрузкой его от напряжений. Наиболее безопасно строительство массивов из твердеющих смесей. Несущая способность закладочного материала при объемном сжатии повышается, по А.Л. Требукову, в 2–3,7, Д.М. Бронникову – в 2–3, М.Н. Цыгалову – в 3,5 раза.
Опыт управления состоянием рудовмещающего массива позволяет утверждать, что параметры добычных работ должны определяться с учетом геомеханического состояния участка земной коры (рис. 4).
Рис. 4 Геомеханическая модель управления массивом
Fig. 4 A geomechanical model of the rock mass control
Управление массивом путем регулирования природных и техногенных напряжений позволяет решать одновременно главные задачи горного производства: безопасность горных работ, качество добытой руды и экономические показатели функционирования предприятия.
Выводы
1. Оптимальным способом управления геомеханикой массива является заполнение выработанного пространства твердеющими смесями с переводом твердеющих закладочных смесей в условия объемного сжатия с помощью инженерных методов.
2. В пределах свода естественного равновесия породы ведут себя как жесткие тела с упругим контактированием в режиме хрупких и квазихрупких деформаций, но их несущая способность повышается за счет сил распора.
3. Перевод динамических явлений в массиве в статические, как и другие меры воздействия на массив, способствует решению приоритетных задач горного производства.
Список литературы
1. 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
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. Brigida V.S., Golik V.I., R Klyuev.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
4. Шевчук Р.В., Маневич А.И., Акматов Д.Ж., Урманов Д.И., Шакиров А.И. Современные методы, методики и технические средства мониторинга движений земной коры. Горная промышленность. 2022;(5):99–104. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-99-104 Shevchuk R.V., Manevich A.I., Akmatov D. Zh., Urmanov D.I., Shakirov A.I. Modern methods, techniques and technical means of monitoring movements of the Earth crust. Russian Mining Industry. 2022;(5):99–104. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-99-104
5. Батугин А.С., Мороз Н.Е. История развития и перспективы дальнейшего применения метода геодинамического районирования. Горная промышленность. 2024;(3S):14–19. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-14-19 Batugin A.S., Moroz N.E. History of development and prospects for further application of the geodynamic zoning method. Russian Mining Industry. 2024;(3S):14–19. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-14-19
6. Клюев Р.В., Босиков И.И., Майер А.В., Гаврина О.А. Комплексный анализ применения эффективных технологий для повышения устойчивого развития природно-технической системы. Устойчивое развитие горных территорий. 2020;12(2):283–290. Klyuev R.V., Bosikov I.I., Mayer A.V., Gavrina O.A. Comprehensive analysis of the effective technologies application to increase sustainable development of the natural-technical system. Sustainable Development of Mountain Territories. 2020;12(2):283– 290. (In Russ.)
7. Валиев Н.Г., Беркович В.Х., Пропп В.Д., Боровиков Е.В. Практика совершенствования системы разработки горизонтальными слоями с гидрозакладкой при отработке крутопадающего жильного месторождения. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020;(1):171–182. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2020-1-1-171-182 Valiev N.G., Berkovich V.Kh., Propp V.D., Borovikov E.V. Practice of improving the system of developing horizontal layers with waterproof when exploiting a low-resident residential deposit. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2020;(1):171–182. (In Russ.) https://doi.org/10.46689/2218-5194-2020-1-1-171-182
8. Абрамкин Н.И., Ефимов В.И., Мансуров П.А. Эмпирические методики оценки состояния массива горных пород. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2022;(2):68–76. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2022-2-68-76 Abramkin N.I., Efimov V.I., Mansurov P.A. Empirical techniques for assessing rock mass condition. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2022;(2):68–76. (In Russ.) https://doi.org/10.21440/0536-1028-2022-2-68-76
9. Flores G., Catalan A. A transition from a large open pit into a novel “macroblock variant” block caving geometry at Chuquicamata mine, Codelco Chile. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019;11(3):549–561. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2018.08.010
10. Pereira F.C., Lima T., Chaves S.S., Vilca Y.C., Canabrava L.P. Stability analysis of free span in excavations with diameter greater than 10 meters – Study case in the córrego do sítio mine. In: Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastructure Development – Full Papers : Proceedings of the 14th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering. Ser. Proceedings in Earth and Geosciences. London: CRC Press; 2020. Vol. 6, pp. 878–883.
11. 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
12. Qi C., Fourie A. Cemented paste backfill for mineral tailings management: Review and future perspectives. Minerals Engineering. 2019;144:106025. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.106025
