Опыт освоения и осушения месторождения в сложных гидрогеологических условиях
А.В. Козуб, канд. техн. наук, главный инженер ПАО «Михайловский ГОК»
Р.И. Исмагилов, директор департамента горнорудного производства ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»
Б.П. Бадтиев, д-р техн. наук, начальник управления мониторинга и перспективного развития горных работ ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»
В.В. Кушнерчук, начальник дренажной шахты ПАО «Михайловский ГОК»
О.Б. Вольхин, главный инженер ООО НТЦ «НОВОТЭК»
Осушай и развивайся
В геологическом строении Михайловского железорудного месторождения выделяются два структурных этажа: нижний – кристаллический фундамент, сложенный породами архея и протерозоя, к которым приурочено полезное ископаемое и верхний – осадочный чехол, сложенный породами палеозоя, мезозоя и кайнозоя (рис. 1). В литологическом отношении породы верхнего (осадочного) этажа, мощностью 210–240 м, представлены песками, суглинками, глинами, алевролитами, мергелями, доломитами, известняками и песчаниками. Гидрогеологические условия месторождения характеризуются как сложные. Осложняющими факторами при отработке месторождения являлось наличие в толще вскрывающих пород обильных водоносных горизонтов. Подземные воды приурочены ко всем возрастным подразделениям осадочного чехла и трещиноватым зонам кристаллического фундамента.
Рис. 1 Схема строения Михайловского месторождения
Коэффициенты фильтрации водовмещающих пород изменяются в широких пределах – от 10-4 м/сут в кристаллических породах до 20 м/сут в отложениях осадочного чехла.
Основная идея осушения и водозащиты Михайловского месторождения заключалась в создании вокруг карьера кольца горных выработок с сооружением из них восстающих дренажных скважин, обеспечивающих перехват порядка 80% подземного стока, а также осуществление сброса из чаши карьера по водосбросным скважинам в горные выработки проскока подземных вод и, выпадающих на площадь карьера в виде атмосферных осадков, поверхностных вод. Для обеспечения безопасного строительства горных выработок основной дренажный горизонт предусматривался на абс. отм. –20 м, в крепких и устойчивых протерозойских породах, представленных окисленными и неокисленными железистыми кварцитами.
По мере проходческих работ уточнялась гидрогеологическая информация и выявлялись локальные участки с выходом толщ более слабых по крепости и устойчивости пород, требующих дополнительного крепления в виде монолитной бетонной крепи. Такое решение позволяло проходить большую часть горных выработок без дополнительного крепления, не меняя основные направления горных работ, а также обеспечивало их безопасную эксплуатацию под действующим карьером.
Данные технические решения были использованы при строительстве Дренажной шахты, основной горизонт которой развивался по мере увеличения площади карьера. На текущий момент площадь карьера достигла 15,6 км2, а протяженность замкнутого кольца горных выработок дренажной шахты вокруг карьера составляет 20,1 км.
С учетом существующей программы развития карьера Михайловского ГОКа до 2032 г. площадь карьера по рыхлой вскрыше увеличится на 1,1 км2 и достигнет 16,7 км2. Основное развитие карьера происходит в северо-западном, северном и северо-восточном направлении. Такое изменение размеров карьера потребует увеличения протяженности горных выработок дренажного комплекса с развитием в направлении границ горного отвода, что осложняет развитие горизонта –20 м сложными горно-геологическими условиями.
Так как дренажный горизонт –20 м приближается к границам месторождения в плане, то появились участки, на которых кварциты отсутствуют, а вместо них встречаются стойленские сланцы и девонские глины. Данные породы относятся ко 2, 3 и даже 4-й категории по устойчивости.
Проходка в породах 2-й и 3-й категории по устойчивости без дополнительного крепления невозможна, а в породах 4-й категории требует сложных технически и дорогостоящих специальных способов крепления и подготовки.
Выбор и расчет крепи следует проводить с учетом состояния устойчивости пород (категорий устойчивости) в выработке (табл. 1).
Классификация пород кровли по устойчивости:
– неустойчивая – без применения крепи не дает устойчивых обнажений, обрушается вслед за продвижением забоя;
– слабоустойчивая – в призабойной полосе шириной до 1 м устойчива в течение 2–3 ч;
– среднеустойчивая – в призабойной полосе шириной до 2 м устойчива до 1 сут;
– устойчивая – в призабойной полосе шириной до 2 м имеет длительную устойчивость;
– весьма устойчивая – в призабойной полосе шириной 5–6 м обладает длительной устойчивостью.
Все кровли по степени обрушаемости пород, оцениваемой шагом обрушения, разделены на следующие классы:
– весьма легкообрушаемые с шагом обрушения до 0,5 м;
– легкообрушающиеся с шагом обрушения до 2 м;
– среднеобрушающиеся с шагом обрушения до 5 м;
– труднообрушающиеся с шагом обрушения до 10 м;
– весьма труднообрушающиеся с шагом обрушения свыше 10 м.
Изменение геологических условий потребовало разработки специальных способов крепления горных выработок, которые включали:
– применение арочного крепления с ж/б затяжкой;
– установку дополнительных лежней для фиксации стоек арочной крепи;
– установку опережающего анкерного крепления.
В соответствии с методикой предварительно производилось определение категории устойчивости пород и необходимой несущей способности податливой металлической арочной крепи. Согласно расчетам для изготовления арочной крепи рекомендовано использование специального профиля СВП-22, выполненного по ГОСТ 18662–83.
Необходимые типы крепления горных выработок из данного профиля СВП-22 были разработаны Дренажной шахтой совместно с ООО НТЦ «НОВОТЭК». Разработанные виды крепления горных выработок при ухудшении горно-геологических условий представлены на рис. 2.
Рис. 2 Специальные виды крепления горных выработок в сложных горно-геологических условиях
Проходка выработок в сложных горно-геологических условиях производится только с опережающим бурением с отбором керна и выполнением экспресс-анализа физикомеханических свойств. По полученным результатам уточняются расчетное значение сопротивления одноосному сжатию с учетом коэффициента структурного ослабления Кс, определяемого по керну опережающей скважины, а также уточняется значение типового смещения. Опережающее бурение позволяет заблаговременно определить изменение горно-геологических условий и своевременно перейти на необходимый тип крепи.
Одним из участков со сложными горно-геологическими условиями является Западный штрек №16, Северный штрек №2 бис 2. Его проходка осуществляется в неустойчивых горных породах, характеризующихся весьма интенсивной изменчивостью как по литологическому составу, так и по физикомеханическим свойствам в массиве. В сухих породах II категории устойчивости вне зон трещиноватости выполнялась установка арок крепи с шагом 1 м (крепь тип I). При ухудшении горно-геологических условий, наличии в почве выработки пластичных или склонных к размоканию пород, а в кровле и бортах (боках) выработки пород II категории устойчивости, для крепи типа I в сечении устанавливается лежень. В породах, представленных переслаивающимися хлорито-серицитовыми, биотит-серицитовыми и лимонитсерицитовыми сланцами, коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову составляет f = 6–8. На участках развития секущих трещин сланцы характеризуются повышенной водообильностью. Сланцы в сухом состоянии неустойчивы, при намокании – крайне неустойчивы. Для указанных горно-геологических условий принят специальный способ с искусственным поддержанием кровли путем сооружения опережающей анкерной крепи из арматурной стали периодического профиля 32-A-II (A300) (крепь тип III) и без использования опережающей крепи (тип II). Крепление выработки на таких участках предусматривается металлической арочной крепью с шагом установки рамы из профиля СВП22 равным 0,5 м с лежнем.
Подобным примером была пройдена выработка Водотрубный ходок №3 с установкой арочного крепления по типу I протяженностью 247 м.
Применяемые арки КМП-А3 изготавливаются из профиля СВП-22 на заводе и согласно паспорту имеют несущую способность 330 кПа. Применение данных арок с шагом 0,5 и 1 м, а также совместно с лежнем и опережающей анкерной крепью обеспечивает необходимую безопасность при проходке горных выработок в сложных горно-геологических условиях Михайловского месторождения.
При освоении новых для Дренажной шахты типов крепления определены основные условия, которые позволяют безопасно проходить горные выработки в породах с категориями устойчивости 2 и 3:
– отставание постоянной крепи от забоя горной выработки не должно быть более 1 м;
– полная и своевременная забутовка закрепного пространства;
– при длительной остановке проходки горной выработки (более 1 сут) выполнение дополнительного укрепления груди забоя;
– длина опережающей анкерной крепи должна составлять не менее 2 м;
– для участков с категорией устойчивости пород 3 шаг установки арочной крепи не должен быть больше 0,5 м.
При этом в породах почвы категорий устойчивости 1 и 2 в крепи указанных типов лежень не предусматривается. В породах категории устойчивости 3 – с лежнем, но допускаются крепи без лежня, с обязательным проведением мероприятий по уменьшению смещений почвы путем упрочнения пород их цементацией и установкой анкеров.
Необходимость установки лежня определяют на основе расчета смещения пород почвы, податливости забутовки и отпора крепи, а также с учетом времени установки крепи.
Участком проходки успешно освоены данные типы крепления горных выработок. За 2017–2018 гг. в сложных горногеологических условиях силами дренажной шахты выполнена проходка 0,5 км горных выработок. Применение новых типов крепления позволило выполнить проходку выработок на тех участках, где ранее проходка выработок считалась невозможной.
В соответствии с программой развития Дренажной шахты на 2019 г. в аналогичных горно-геологических условиях с применением специального крепления предусматривается проходка 0,2 км горных выработок.
Несмотря на увеличение затрат в связи с применением арочного крепления, осуществляется проходка новых выработок для сохранения функционирования дренажной шахты по пропуску воды и вентиляции. От эффективной работы дренажной шахты напрямую зависит безопасная разработка карьера, связанная с устойчивостью бортов карьера по рыхлой вскрыше и снижением поступления дренажных вод в очистное пространство карьера.
